Перебравшись из Верного в Барнаул, Семенов остался там на зиму и оттуда совершил две поездки: в местность Кату южнее Джунгарского Алатау и на китайскую территорию, в город Кульджа. Цель первой поездки — проверить имевшиеся в китайских источниках упоминания о каких-то вулканических явлениях. Поднявшись в невысокие горы, которые слегка дымились, исследователь нашел месторождения нашатыря и серы. Дымление было связано с горением подземных пластов каменного угля и отношения к вулканическим явлениям не имело. В Кульджу Семенов добрался из Копала через заснеженный перевал Джунгарского Алатау и пробыл в этом городе неделю в качестве гостя российского консула.
В 1857 году П. П. Семенов отправился из Барнаула в Заилийский край в сопровождении художника П. М. Кошарова. Путешественники добрались до ущелья, через которое пробивается река Или, и, найдя на высоком утесе огромные знаки тибетской надписи, зарисовали их.
В то время обстановка в районе Иссык-Куля была тревожной из-за непрекращавшихся стычек между местными казахскими и киргизскими родами. В Верном Семенову был предоставлен конвой из 50 казаков. На этот раз исследователь решил по знакомой уже дороге выйти к восточной оконечности Иссык-Куля, дойти до северного склона снежного хребта, замыкающего бассейн озера с юга, и проникнуть по возможности в его долины и на горные перевалы, соединяющие Илийский и Иссык-Кульский бассейны с китайской провинцией Кашгарией.
29 мая 1857 года отряд Семенова, состоявший из 58 человек и имевший 12 верблюдов и 70 лошадей, двинулся из Верного на юго-восток и пошел через горные перевалы и речные долины Заилийского Алатау. Нужно было проникнуть в глубь Тянь-Шаня по долине реки Заука, впадающей с юга в Иссык-Куль, и через самый доступный из перевалов в этом районе Тянь-Шаня — Заукинский. Удалось благополучно пройти к Заукинскому перевалу, расположенному на высоте более 3 300 метров. Впереди расстилалась равнина с покрытыми снегом вершинами. Между ними лежали озера. Семенов раскрыл еще одну географическую загадку — первым из европейских путешественников добрался до истоков великой среднеазиатской реки.
«Пройдя часа два по этим чудным альпийским лугам, — вспоминал он, — мы взобрались на другой пологий снежный холм, откуда видели еще три озера, из которых речки текли уже на южную сторону перевала, к юго-востоку, и, сливаясь, образовывали более значительную реку, высокая продольная долина которой, направляясь к западу, терялась в туманной дали. Это и была река Нарын, верховье древнего Яксарта, на нижнем течении которого (Сырдарье) Россия уже стояла твердой ногой. Мы проблуждали еще часа два между истоками Нарына, но спуститься вниз по его долине я не решился: лошади наши были измучены и изранены».
В ауле, принадлежавшем одному из киргизских племен, вождь просил Семенова ходатайствовать о принятии его в русское подданство. Путешественник смог нанять 70 свежих лошадей, 10 верблюдов и 6 проводников. Теперь он отправился в северное подгорье Тянь-Шаня, к горной группе Тенгри-Тага.
На обратном пути Семенов поднялся на одну из вершин, покрытую вечным снегом, и определил по барометру, что ее высота 3 950 метров. Эта же высота определяла расположение снежной линии на северном склоне Тянь-Шаня. Отряд сделал очередной привал на хребте Сары-Джаз вблизи ледника, который впоследствии был назван именем Семенова.
Из Верного путешественник выехал 2 сентября. По дороге в Семипалатинск совершил ряд экскурсий: в степь на северной стороне реки Или, в соседние горы, в долину реки Каракол и далее в ближайшие горы, в долину реки Лепсы, на озеро Алаколь. В Семипалатинске он вновь встретился с Ф. М. Достоевским, а губернатор сообщил ему, что ожидает официального извещения о полной амнистии писателя. Побывав в Барнауле и Омске, Семенов 15 ноября 1857 года возвратился в Петербург.
В ходе экспедиции был собран обширный материал, на обработку которого потребовалось несколько лет. Почти сразу по возвращении главнейшие результаты исследований Семенов опубликовал в изданиях РГО. Растения, собранные им, были впоследствии описаны ботаниками Регелем и Гердером; список собранных жесткокрылых был составлен и опубликован известным энтомологом В. И. Мочульским; большую коллекцию горных пород и палеонтологических образцов частично использовали И. В. Мушкетов и другие специалисты.
Но не эти отраслевые исследования явились главным вкладом П. П. Семенова в изучение природы России и сопредельных стран. Прежде всего он почитаем как великий географ. Его геологические и ботанические исследования, измерение высот и определение распространения вечных снегов представляли собой не обособленные наблюдения, а были осуществлены с географическим подходом. В предисловии ко II тому К. Риттера «Землеведение Азии» сам ученый перечисляет важнейшие, по его мнению, результаты своих исследований: установлена высота снеговой линии в Тянь-Шане, открыты в Тянь-Шане мощные ледники, опровергнут взгляд на вулканическое происхождение Тянь-Шаня и на наличие там вулканов (действующих и потухших), о которых так много писал А. Гумбольдт.
Семенов описал 23 горных перевала, собрал 300 образцов горных пород, более 1 000 видов растений, среди которых было много новых, ранее не известных, определил высоту местности в 50 точках. Кроме того, им собрана прекрасная коллекция насекомых и ископаемых моллюсков, обширный этнографический материал, иллюстрированный художником П. М. Кошаровым. Было сделано два поперечных геологических разреза Тянь-Шаня. Семенов впервые в отечественной научной литературе охарактеризовал ландшафты и флору Заилийского края по высотной зональности.
Исследования П. П. Семенова получили большую известность в Западной Европе и в Америке. Он был избран почетным или действительным членом, членом-корреспондентом многих географических обществ, а некоторые из них отметили его труд медалями и другими почетными отличиями.
Свое главное путешествие П. П. Семенов закончил в 30-летнем возрасте, а впереди у него была долгая жизнь и активная деятельность в РГО. Он много и плодотворно трудился в области государственной статистики, участвовал в разработке системы статистических показателей для разных видов учета (сельскохозяйственной статистики, промышленной, текущей и т. д.), возглавлял делегации русских статистиков на нескольких международных конгрессах. Также он активно участвовал в подготовке реформы 1861 года и освобождении крестьян от крепостной зависимости.
В октябре 1859 года ученый закончил обширное предисловие ко II тому «Землеведения Азии» К. Риттера и одновременно готовил к изданию III том, который вышел в свет в 1860 году. В дальнейшем он принял активное участие в издании IV и V томов.
В мае 1860 года Семенов был назначен главным редактором «Географо-статистического словаря России». Издание пяти томов этого словаря было важным событием в развитии географии России. Ведь этот грандиозный словарь включал в себя описание всех морей, омывающих русские берега, заливов, бухт, лиманов, кос, мысов; всех горных хребтов и кряжей, вершин; озер, судоходных и сплавных рек, каналов, минеральных источников; всех губерний, городов, местечек, посадов, селений с населением более 1 500 человек, монастырей; всех заводов и фабрик, составлявших отдельные поселки, важнейших рудников. Сам главный редактор написал для словаря большинство крупных статей.
В начале 1860 года Петра Петровича избрали председателем отделения физической географии РГО, и вскоре были организованы экспедиции по изучению регионов России — в Сибирь, на Каспийское и Азовское моря, в Туркестан. Семенов готовил инструкции для них, хлопотал о выделении необходимых средств для приобретения припасов и инструментов, обеспечивал публикацию экспедиционных отчетов. В 1873 году он стал вице-председателем РГО, то есть фактическим руководителем этого общества, и был им бессменно до своей кончины в 1914 году. Можно сказать, что с 1873 годаП. П. Семенов являлся общепризнанным главой российской географии. Он поощрял организацию отделов РГО в губерниях. По его инициативе и при его содействии были созданы СевероЗападный, Западносибирский, Оренбургский, Восточносибирский, Приамурский, Якутский, Туркестанский, Кавказский, Южный (в Киеве) отделы РГО, которые организовывали экспедиции по изучению своих регионов.
Семенов подробно описал заслуги РГО в трехтомной «Истории полувековой деятельности Императорского Русского географического общества» (1896 год). С начала 1870-х годов до 1914 года РГО снарядило более 170 экспедиций, подавляющая часть которых исследовала территории России, в первую очередь Сибирь, Дальний Восток, Среднюю и Центральную Азию, Кавказ и Закавказье. Семенов принял самое деятельное участие в организации экспедиций прославленных отечественных путешественников Н. М. Пржевальского, Г. Н. Потанина, И. Д. Черского, Н. Н. Миклухо-Маклая, П. К. Козлова, В. А. Обручева и многих других.
