Ученый впервые точно определил местоположение легендарного озера. По расчетам Семенова озеро находилось на равном расстоянии от Обской губы, Бенгальского залива, Черного и Желтого морей. Сопровождавшие Семенова топографы Вараксин и Яновский произвели съемку восточной части озера. На Иссык-Куле Семенов искал, но не нашел, упомянутый на каталанской карте христианский монастырь, где, по преданиям, был захоронен один из апостолов Христа.
Отряд столкнулся с местными племенами, сарыбагышами, с которыми у русской администрации отношения не сложились. Однако, поскольку экспедиция носила научный характер, Семенову удалось договориться с ними и даже провести в их поселениях несколько дней, изучая берег Иссык-Куля и окружавшие его хребты.
Вслед за этим в том же 1856 году Семенов совершил поход в верховья реки Чу. Вызвано это было сведениями о нападении местных разбойников-барантачей на русский караван, шедший из Верного в Ташкент. В Верном немедленно был собран карательный отряд, к которому присоединились Семенов, Хоментовский, Обух и Валиханов. Отряд двинулся через перевал Кастек в долину Чу. В одну из ночей, миновав ущелье Буам, отряд прошел рядом с кокандской крепостью Токмак. На западном берегу Иссык-Куля Семенову и его спутникам удалось установить вполне дружеские отношения с кочевавшими там киргизами сарыбагышами, которые впоследствии помогли отряду пробраться через два снежных хребта обратно в Верный.
Экспедиция впервые произвела съемку местности к северу и югу от берегов Иссык-Куля. При этом Семенов установил, что река Чу не вытекает из озера Иссык-Куль, как считал до этого его учитель Карл Рихтер, считавшийся в Европе лучшим знатоком Центральной Азии. Исследователи отыскали место, где Чу ближе всего подходила к озеру. Валиханову удалось тогда же подняться на вершины Тянь-Шаня по реке Джиргалан.
Там Семенов обнаружил закономерную смену по вертикали пяти высотных географических зон. Это было вторым большим открытием.
С его восхождения на ледник (названный впоследствии в его честь) начались гляциологические исследования на Тянь-Шане. Семенов первым удостоверился, что в открытой им горной стране несметное количество ледников и именно они являются источниками всех великих рек Азии, что схема расположения хребтов Тянь-Шаня, предложенная Гумбольдтом, ошибочна. Не оказалось на Тянь-Шане и вулканов, как думал Гумбольдт.
В Верный отряд возвратился прямым путем, пролегавшим через два горных хребта и занесенные снегом перевалы Алатау. На обратном пути в Верный исследователь совершил восхождение на гору Кунгей-Алатау. Впоследствии он вспоминал: «Трудно себе вообразить что-нибудь грандиознее ландшафта, представляющегося путешественнику с Кунгея через озеро на Небесный Хребет (таков буквальный перевод «Тянь-Шань»)».
Из Верного Семенов вскоре поспешил в Копал, откуда ему удалось проехать в Кульджу, где тогда побывал и Валиханов. Зиму он пересидел в Барнауле, разбирая ботанический и геологический материал, набранный у берегов Иссык-Куля. В то же время он начал подготовку к новому походу.
В 1857 году Семенов проник в Тянь-Шань через проход Санташ и Заукинский перевал. На высоте четырех тысяч метров он исследовал реку Зауку, протекавшую между двух высокогорных озер. Неподалеку от Заукинского перевала брала свое начало и Сырдарья, известная там под именем Нарын. Первым из европейцев Семенов достиг истоков Сырдарьи. Углубившись в глубь горной страны, он исследовал заоблачную вершину горы Хан-Тенгри, в ледниках которой начинался один из притоков Тарима.
Из воспоминаний П.П. Семенова: «Наконец мы добрались до вершины перевала, который представил мне неожиданное зрелище; горных исполинов передо мной уже не было, а впереди меня расстилалась волнистая равнина, с которой поднимались относительно невысокими холмами покрытые снегом вершины. Между ними виднелись зеленые озера, только отчасти покрытые льдом, а там, где его не было, по ним плавали стаи красивых турпанов».
Собрав большое количество материалов для исследований, группа решила вернуться, параллельно обследовав северный берег озера Иссык-Куль. 20 июня, вернувшись на место дислокации экспедиции, аулов богинского предводителя Бурамбая, Семенов стал планировать восхождение на Тянь-Шань с восточной стороны – тем более что проводники из местных согласились показать такой маршрут.