Весной 1857 г. Семенов вновь прибыл в Верное вместе с художником Кошаровым (учителем рисования Томской гимназии), которого он пригласил для участия в экспедиции. На этот раз целью экспедиции было осуществление заветного желания Семенова – проникнуть в глубь горной системы Тянь-Шаня. Выехав из Верного, Семенов достиг плоскогорья Санташ, откуда экспедиция двинулась к южному берегу Иссык-Куля. Достигнув Заукинской долины, Семенов пересек Терскей-Алатау и через перевал Зауку (Джука) проник вплоть до истоков Нарына.
«Перед путешественниками расстилалось обширное плоскогорье – сырт, по которому разбросаны были небольшие полузамерзшие озера, расположенные между относительно уже невысокими горами, однакоже, покрытыми на вершинах вечным снегом, а на скатах – роскошной зеленью альпийских лугов. С вершины одной из таких гор путешественники видели очень отчетливо текущие из расстилавшихся у их ног сыртовых озер верховья притоков Нарына, главный исток которого находился к В. Ю. В. отсюда. Таким образом, впервые были достигнуты европейским путешественником истоки обширной речной системы Яксарта», – писал П. П. Семенов в «Истории полувековой деятельности Русского Географического общества»[17].
Отсюда экспедиция двинулась в обратный путь. Вскоре Семеновым было совершено второе, еще более удачное, восхождение на Тянь-Шань. Маршрут экспедиции на этот раз проходил в более восточном направлении. «Поднявшись по реке Каркаре, значительному притоку реки Или, и затем по Кокджару, одной из верховых рек Каркары, путешественник взобрался на перевал около 3650 метров, разделяющий Кокджар от Сарыджаса…»[18]. Этот трудный путь, не изведанный еще никем из европейских исследователей Азии, вывел Семенова в сердце Тянь-Шаня – к горной группе Хан-Тенгри.
Посетив истоки Сарыджаса, Семенов открыл обширные ледники северного склона Хан-Тенгри, из которых берет свое начало Сарыджас. Один из этих ледников впоследствии был назван именем Семенова. Обратный путь к подножью Тянь-Шаня Семенов прошел другой дорогой, следуя по долине реки Текеса. Этим же летом он исследовал Заилийский Алатау, посетил местность Кату в Илийской равнине, Джунгарский Алатау и озеро Алаколь (у Семенова Ала-Куль). Завершением экспедиций 1856–1857 гг. было посещение Семеновым двух горных перевалов Тарбагатая.
Общеизвестно, какое первостепенное значение для научной ценности географических экспедиций в неисследованных странах имеет правильный выбор маршрута. Исследования Семенова в Тянь-Шане показывают замечательное умение его выбирать маршруты, наиболее ценные в географическом отношении. Самой существенной чертой этих маршрутов является то, что почти все они проходили преимущественно поперек направления гор, а не по относительно более удобным для путешественника продольным долинам. Один из исследователей Тянь-Шаня конца XIX в. М. Фридрихсен[19] справедливо отмечает, что экспедиции Семенова (а также впоследствии Северцова) дали, благодаря такому выбору маршрута, главным образом поперек горных цепей, чрезвычайно ценные сведения о конфигурации гор.
В «Истории полувековой деятельности Русского Географического общества» Семенов оценивает проделанные им путешествия как «обширную научную рекогносцировку северо-западной окраины Центральной нагорной Азии. На рекогносцировочный характер своих исследований он указывал еще в 1856 г., описывая свое посещение западной оконечности Иссык-Куля. «Конечно, поездка эта, совершенная с быстротой, вынужденной окружающими меня опасностями и лишениями, может иметь только характер научной рекогносцировки, а не ученого исследования; но и в таком виде она не останется без результатов для землеведения Азии»