В 1762 году Лаксман переезжает в Петербург и вскоре знакомится с известным ученым-географом и пастором Абюшингом, который был директором училища и пансиона, только что открытых при немецкой церкви св. Петра и Павла. Абюшинг помог Лаксману получить место воспитателя в пансионе и учителя естественной истории и ботаники в училище.
Но Лаксмана влекла к себе Сибирь, и он упорно и энергично добивается осуществления своего желания.
Вскоре возможность поехать туда появилась. В 1747 году Акинфий Никитич Демидов – владелец Горного округа Колывано-Воскресенских заводов, охватывавшего большую часть Томской губернии и часть Омской (примерно площадь нынешней Швеции), предпринял хитроумный маневр: он поднес Алтайские заводы в подарок лично императрице Елизавете Петровне. Огромный горнопромышленный район в бассейне верхнего течения реки Оби стал собственностью императорской семьи и поступил в ведение Кабинета ее величества.
Лаксман стал хлопотать о получении пасторской должности в Барнауле. Скоро начальник Кабинета ее величества сенатор Олсуфьев, в подчинении которого находилась государственная горно-заводская промышленность, удовлетворил просьбу Лаксмана.
2 января 1764 года Лаксман обратился в Канцелярию Академии наук с памятной запиской, в которой просил назначить его корреспондентом академии или адъюнктом ботаники в связи с предстоящим отъездом на Колывано-Воскресенские заводы. 19 января 1764 года он был избран корреспондентом академии.
15 марта 1764 года Лаксман приехал в Барнаул. Барнаул, со дня основания которого прошло всего около 30 лет, был в то время довольно большим населенным пунктом. Здесь располагалось управление горной промышленностью всего края, главный плавильный завод, на котором выплавляли ежегодно более 400 пудов чистого серебра и от 11 до 15 пудов золота. Здесь же располагался стекольный завод.
На Колыванских заводах и рудниках жило около 50 немцев протестантско-евангелического вероисповедания. Однако они были расселены на очень большом пространстве.
В течение первых месяцев своего пребывания в Барнауле Лаксман предпринимал небольшие экскурсии, во время которых описал нескольких представителей местной фауны и флоры.
С 1765 года, купив экипаж и лошадей, он получает возможность ездить уже с чисто научными целями по своему усмотрению. Круг поездок Лаксмана с каждым годом расширялся. Он то посещал селитряные пещеры близ крепости Бийск на р. Бие, то направлялся на юг Сибири, к Усть-Каменогорску. Лаксман совершает поездки и далеко на север, где в районе Томска и реке Чулым он находит каменный уголь.
После смерти жены Лаксман отправился в далекий путь к Аргунским рудникам. К Байкалу он приехал поздней осенью 1766 года, и так как ему надо было пересечь озеро, путешественник был вынужден ожидать, пока оно замерзнет. Вынужденную остановку Лаксман решил использовать для посещения горячих источников близ Усть-Турки.
Лаксман первым дал научное описание горячих минеральных источников в устье Турки, исследовал их химический состав, измерил температуру различных источников, а также нанес на карту их местонахождение.
Во время путешествия летом 1767 года Лаксман побывал и на Алтайских горах. Видимо, он был первым путешественником, приехавшим сюда с научной целью. Достигнув самой высокой вершины, естествоиспытатель определил ее высоту барометрическим способом. Одновременно Лаксман продолжал сбор коллекций сибирских насекомых и их изучение.
В начале 1769 года Лаксман был уже в Москве. Он усиленно работал над разбором коллекций, писал статьи для Трудов Вольного экономического общества и Записок Стокгольмской академии наук. Однако кабинетный труд был так чужд Лаксману, что он вскоре не выдержал и осенью 1769 года отправился в поездку по Олонецкой губернии. Сочинение Лаксмана «Экономические ответы, касающиеся до хлебопашества в лежащих около реки Свири и южной части Олонца местах» подводило итог поездке и содержало ответ на вопросы, составленные Обществом для собирания сведений о всех областях России. Эта сравнительно небольшая по объему статья поражает острой наблюдательностью, широкой осведомленностью и строго научным и точным подходом автора к сообщаемым сведениям.
Осенью 1778 года Лаксман предпринял первую поездку с целью «физико-топографического и экономического исследования» районов «Северных гор между морями Ледовитым и Балтийским». В июне 1779 года была начата вторая экспедиция в район Среднерусской возвышенности и на Север, которая закончилась в декабре того же года. Задачей второй экспедиции было изучение возвышенностей, образующих водораздел рек европейской части России, и ознакомление с горными породами и рудными месторождениями, а также с горнорудными и промышленными предприятиями этого района.
В июле 1779 года Лаксман, снабженный всеми необходимыми инструментами, с двумя старшими сыновьями – гвардейскими унтер-офицерами и солдатом Чирковым выехал из Петербурга к Новгороду.
19 июля экспедиция прибыла в Новгород, окрестности которого и древние памятники путники осматривали два дня. Затем по совету новгородского губернатора Сиверса двинулись вдоль берегов озера Ильмень, чтобы изучить соляные источники у Мшаги, известеобжигательные заводы у Сольцов на реке Шелони, каменоломни в Коростине. Лаксман писал: «Эти места принадлежат к прекраснейшим в Новгородской области. Почва здесь плодородна, значительные реки и ручьи, обширные поля с постепенно возвышающимися вершинами, прекраснейшие леса с множеством дубов и прелестными полянами разнообразятся шумящими водопадами, украшающими Сольцы.
Если в Южной Европе дикий виноград приносит тень и служит украшением домов, то здесь его заменяет хмель, обвивающийся вокруг деревьев и кустов».
Попутно Лаксман записывал и геологические наблюдения.
Экспедиция вернулась в Москву, откуда уже 6 сентября выехала в Тверь. Затем путешественник поехал «по необычайно каменистым и тряским наносам к Тихвину, Олонцу и Петрозаводску». По дороге ему представился случай изучить окрестности рек Сяси, Паши и Ояти. Посетив Петрозаводск, Лаксман 16 октября вышел в плавание вдоль восточного берега Онежского озера до его северного берега.
30 октября Лаксман прибыл в погост Сороку, лежащий на острове, образованном рекой Виг при впадении в Белое море. Здесь он оставался до конца ноября, совершая поездки вдоль морского побережья. 6 ноября он побывал в Кеми и в других местах.
Когда Лаксман вернулся из последней экспедиции к берегам Белого моря в Петербург, он был назначен на должность помощника главного командира Нерчинских заводов. В Сибири Лаксман провел более десяти лет – с 1781 по 1791 год.
