Гмелин на это время тактично заболел. Должно быть, и его затрагивали «неурядицы», вызванные подлой политикой И.–Д. Шумахера (1690–1761), секретаря Академии. А возможно, друзьям хотелось попутешествовать вместе, поскольку в дальнейшем никаких трений между ними не случилось. Довольно лукавое признание об этом мы можем найти у Миллера, который в дневнике писал, что Гмелин вылечился, потребляя в большом количестве старое доброе рейнское вино…
По указу Сената за академиками сохранялись место и жалование, дополнительно выдавались «командировочные». Их частью получали из Канцелярии, а частью из Сибирской губернии. Для каждого академика полагался портной, столяр, рисовальщик, чучельщик. Так и вышло, что вместо одного профессора, как того требовал своенравный Беринг, образовалась Великая северная экспедиция, ставшая едва ли не главной экспедицией XVIII века.
8 августа 1733 года научный отряд в составе академиков И.–Г. Гмелина, Г.–Ф. Миллера, Л. де ля Кройера, шести студентов, в числе которых был будущий академик Степан Крашенинников, двух художников, двух охотников, двух минералогов и двенадцати солдат, выехал из Петербурга в неизвестную Сибирь. 3 марта следующего года не спеша они прибыли в Тобольск. Именно здесь были ими собраны первые новые растения и обнаружены не описанные наукой животные.
19 мая 1734 года академики направились вверх по Иртышу, 27 мая они были в Ишиме, 27 июня достигли Омска, затем далее вверх по Иртышу, повторяя путь Ермака. Равнины Западной Сибири с безбрежными ковыльными степями сменились сначала небольшими увалами, а потом и горами. Достигнув станицы Усть–Каменогорской, академики отправились на Колыванские заводы. Затем — прямиком через невысокие горы — в Кузнецк, куда прибыли 17 сентября. Для молодых людей (Гмелину было в то время 24, а Миллеру 29 лет) дорога была в радость. Миллер в своём дневнике так описывает этот отрезок пути: «Путешествие по р. Иртышу и после оного перед прочего в Сибири ездою самое приятнейшее было. В то время ещё в первом жару, ибо неспокойствия, недостачи и опастности утрудить нас ещё не могли. Мы заехали в такие страны, которые с натуры своими преимуществами многие другие весьма превосходят, и для нас почти всё, что мы видели новое было. Мы подлино зашли в наполненный цветами ветроград, где по большей части растут незнаемые травы; в зверинец, где мы самых редких азиатских зверей в великом множестве перед собою видели; в кабинет древних языческих кладбищ и там хранящихся разных достопамятных монументов. Словом, мы находились в такой стране, где прежде нас никто не бывал, который бы об этих местах известие сообщить мог. А сей повод к произведению новых испытаний и изобретений в науке служил нам неинако как с крайней приятностью».
Таким образом, можно судить, что первый год путешествия не принёс разочарования. Ботанические впечатления Гмелина от посещения южной Сибири были так велики и разнообразны, что целое столетие ботаники совершали паломничество по этому маршруту: Омск — Барнаул — Усть–Каменогорск — Колывань. Позднее во «Флоре Сибири» он писал с восхищением: «Места меж Обью и Иртышом лежащая, и от Железинской крепости на восток и север простирающиеся, состоят из пространных степей, которыя от живущих на оных барабинских татар, Барабинскими называются. Сии степи по большей части ровныя, от частых и больше рыбных озёр болотны, однакож во многих местах жирною землею покрыты, на которых хлеб свободно родиться мог, ежелиб живущим там татарам оной нужен был». Интересно, что сто лет спустя, в 1829 году, этот путь преодолел великий Александр Гумбольдт, но впечатления у него от Барабинских степей оказались совсем противоположные.
Гмелину принадлежит, наверно, первое описание местности, где впоследствии будет построен Барнаул. Вот как он сам пишет: «29-го вечером, часа в три, мы снова отправились в путь в сопровождении 20 служивых, приданных нам заводом. Поскольку время года было такое, что можно было ожидать нападения казахских орд, то мы взяли с собой ещё и нашего семипалатинского капрала с 15 солдатами в качестве охраны, но лейтенанта и остальных лошадей, которых мы взяли частью из Усть–Каменогорска и частью из Семипалатинска и Ямышевой, мы отпустили. В тот вечер мы проехали не более 18 верст и остановились у небольшого ручейка.
На следующий день в час пополудни мы доехали до речки Локтёвки. В двух верстах от того места, где мы стояли, эта речка впадает в Чарыш, где расположены четыре деревеньки, принадлежащие Акинфию Никитичу Демидову и основанные им ради работы завода. Когда мы этой ночью ехали, нас застал сильный дождь, а поскольку мы проехали уже 20 вёрст, лошади дальше не пошли. Нам пришлось остановиться в сухой степи, где не было ни корма для лошадей, ни сухих дров, ни другой воды, кроме той, что лилась с неба. 31'го утром мы подъехали к речке Алей. Мы нашли здесь уже готовых лошадей на подмену, которые были собраны в одной из вышеупомянутых демидовских деревень. Мы были счастливы, что не видели никаких признаков Казахской орды, так что мы уже не боялись и отпустили здесь семипалатинского капрала с подчинёнными ему 15 служивыми.