Весной 1848 года П. П. Семенов выдержал экзамены на степень кандидата, а затем со своим другом по университету Н. Я. Данилевским пешком прошел из Петербурга в Москву, собирая ботаническую и геологическую коллекции. В 1849 году он стал действительным членом основанного четырьмя годами ранее Русского географического общества (РГО), главным предметом деятельности которого было изучение населения и природных условий в России и сопредельных странах.
Друзья задумали организовать экспедицию для исследования черноземной полосы России (установление границ этого региона, изучение почв и растительности). Летом 1849 года они направились в черноземные районы Рязанской, Тульской и Орловской губерний. Но вскоре Петр Семенов остался один, так как во время экспедиционных работ Данилевский был арестован жандармами как участник кружка петрашевцев и позже сослан в Вологодскую губернию.
Петр Петрович продолжил изучение черноземных степей ив 1851 году, написав работу «Придонская флора в ее отношениях к растительности Европейской России», представил ее в университет, выдержал процедуру защиты и получил степень магистра. По поручению вице-председателя РГО адмирала Ф. П. Литке (фактического руководителя, так как на должность председателя назначался один из великих князей) он привел в порядок библиотеку общества (при этом прочитал многие важные книги по географии) и приступил к переводу на русский язык многотомного труда известного немецкого географа К. Риттера «Землеведение Азии». Переводческая работа вызвала у него большой интерес к этой части света, где в то время было немало белых пятен, особенно в Центральной Азии.
Видимо, тогда зародилась у П. П. Семенова мечта о путешествии в глубь Азии, в загадочный Тянь-Шань. Он вспоминал впоследствии: «Работы мои по азиатской географии привели меня… к обстоятельному знакомству со всем тем, что было известно о внутренней Азии. Манил меня в особенности к себе самый центральный из азиатских горных хребтов — Тянь-Шань, на который еще не ступала нога европейского путешественника и который был известен только по скудным китайским источникам. Проникнуть в глубь Азии на снежные вершины этого недосягаемого хребта, который великий Гумбольдт на основании тех же скудных китайских сведений считал вулканическим, и привезти ему несколько образцов из обломков скал этого хребта, а домой — богатый сбор флоры и фауны новооткрытой для науки страны — вот что казалось самым заманчивым для меня подвигом».
В 1853 году Семенов уехал за границу. Встретившись с А. Гумбольдтом и К. Риттером, он обсудил с ними свои планы проведения экспедиции в Центральную Азию, затем прослушал курсы лекций по геологии, метеорологии и истории растений в германских университетах. Молодой ученый проводил полевые экскурсии в Германии, Италии и Швейцарии, совершил ряд восхождений на Везувий и наблюдал его извержение в 1854 году. Возвратившись в Россию в следующем году, Семенов представил Совету РГО русский перевод I тома «Землеведения Азии». Половину объема книги составляло «Предисловие переводчика» (оно существенно дополняло основной текст новым материалом по географии Азии). Через год этот том вышел из печати.
Петр Петрович обратился к Совету РГО с предложением снарядить его в экспедицию «для собрания сведений о тех странах, к которым относятся два следующих, уже переведенных тома риттеровой Азии, а именно томы, относящиеся до Алтая и Тянь-Шаня». Совет дал согласие, и в начале мая 1856 года Семенов начал свою экспедицию. По железной дороге он добрался до Москвы, откуда поехал по тракту до Нижнего Новгорода; там купил прочный тарантас и на нем отправился в Сибирь по большому сибирскому тракту.
В Омск, резиденцию Западно-Сибирского губернатора генерала Г. И. Гасфорта, Семенов приехал 1 июня. При встрече с губернатором столичный ученый просил дать ему возможность посетить основанное в 1854 году укрепление Верное (с 1885 года — город Верный, с 1921 года — город Алма-Ата) и изучить Заилийский край, расположенный к югу от реки Или, — геологическое строение, флору и фауну, жизнь населения. Губернатор обещал предписать местным властям, чтобы оказывали содействие исследованиям и предоставляли конвой для поездки в горы. Путешественнику показали карты Семиреченского и Заилийского краев (первый расположен к югу от озера Балхаш до реки Или, а второй — к югу от реки Или до озера Иссык-Куль).
В 1856 году Семенов познакомился с двумя молодыми офицерами: по прибытии в Омск — с Григорием Николаевичем Потаниным, а в конце года в Семипалатинске — с казахом Чоканом Чингисовичем Валихановым. Благодаря знакомству с Семеновым они стали через некоторое время выдающимися путешественниками: Г. Н. Потанин — исследователем Сибири и Центральной Азии, а Ч. Ч. Валиханов — знатоком истории и культуры народов Средней Азии, Казахстана и Западного Китая, в частности казахов и киргизов. Именно Семенов дал совет генералу Г. И. Гасфорту послать поручика Валиханова в экспедицию для изучения ранее абсолютно неизученной области Центральной Азии южнее Тянь-Шаня — Кашгарии.
Из Омска Семенов направился на Алтай. Выехав из Барнаула, он проследовал на юг и вскоре увидел впервые Алтайские горы; осмотрел Колыванское озеро, поразившее его причудливыми формами гранитных скал; в течение месяца посетил ряд заводов и рудников, был в долинах рек Убы и Ульбы; из Риддера (теперь город Лениногорск, в Казахстане) совершил подъем на Ивановский хребет, высочайшие (до 2 275 метров) белки в этом районе (белки — сибирское название горных хребтов, постоянно покрытых снегом, главным образом на Алтае).
Изучив западные окраины Алтая, Семенов взял путь на Семипалатинск, чтобы далее приступить к главному — изучению Тянь-Шаня. В Семипалатинске, в квартире адъютанта губернатора, состоялась неожиданная встреча. Он писал впоследствии: «…Представили одетого в солдатскую шинель дорогого мне петербургского приятеля Федора Михайловича Достоевского, которого я увидел первым из его петербургских знакомых после его выхода из «мертвого дома» — каторжной тюрьмы». А через день Ф. М. Достоевский провожал П. П. Семенова в Семиреченский край.
Из казачьего городка Копал Семенов в сопровождении нескольких казаков совершал восхождение на вершины Джунгарского Алатау (этот хребет, расположенный между озером Алаколь и рекой Или, прежде называли также Семиреченским Алатау); собирал образцы горных пород, коллекцию альпийских растений и насекомых.
В Верном начальник Заилийского края полковник Хоментовский выделил Семенову 10 казаков, двух проводников-киргизов, лошадей и верблюдов, и через два дня он отправился на озеро Иссык-Куль. Возвратившись в Верное и немного отдохнув, Семенов во главе казачьего отряда из 90 всадников начал передвигаться вдоль подножия северной цепи Заилийского Алатау. Такой значительный конвой был необходим из-за возможного нападения враждебных местных племен. Отряд достиг реки Чу и вошел в Буамское ущелье, из которого река вырывается в свою широкую долину.
Семенову удалось разрешить географическую загадку. «Мне хотелось, — писал он, — достигнуть одной из главных целей моего посещения западной оконечности Иссык-Куля. Во время моего пребывания в Берлине (1853 год) географы полагали, что озеро Иссык-Куль имеет сток, но этим стоком одни считали реку Чу, а другие, по распространенным Гумбольдтом сведениям, — речку Кутемалды, которая якобы выходит из озера Иссык-Куль и течет далеко в степь». Проследовав вверх по течению реки Чу, Семенов выяснил: «Главная составная ветвь мощной реки Чу…выходит на Иссык-Кульское плоскогорье, но, не следуя естественному склону к озеру, поворачивает прямо на запад в Буамское ущелье. К востоку от этого поворота я увидел болотистую местность, из которой в Иссык-Куль… текла маленькая речка Кутемалды, имевшая не более шести верст длины… Я доехал до устья речки и, повернув по берегу озера, вернулся в аул Умбет-Алы, вполне убедившись, что озеро Иссык-Куль стока не имеет и что оно в настоящее время не питает реки Чу, и что мощная река эта образуется из двух главных ветвей: Кочкара, берущего начало в вечных снегах Тянь-Шаня, и Кебина, текущего из вечных снегов и из продольной долины Заилийского Алатау».
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.
