В конце июня 1887 г. И. В. Мушкетов был командирован в Туркестанский край, где должен был возглавить экспедицию по изучению геологических причин и последствий Верненского землетрясения. Кроме него в ее состав входили опытные горные инженеры Ф. П. Брусницин и И. В. Игнатьев, только что окончившие Горный институт М. Н. Лямин и Э. А. Штединг, топографы П. А. Рафаилов, командированный из Петербурга, и местный — Стрижевский, местные фотограф С. Ф. Николаи и рисовальщик Н. Г. Хлудов. Все члены экспедиции собрались в Верном к 24 июля, хотя работы велись еще с начала месяца.
Ф. П. Брусницын исследовал разрушения в долинах Аксая и Каксалена; И. В. Игнатьев — в долинах Большой и Малой Алматинок; М. Н. Лямин и Э. А. Штединг — по пути от г. Сергиополя до г. Верного. По приезде в г. Верный И. В. Мушкетов заболел и в течение двух недель лично не участвовал в наблюдениях, но осуществлял руководство работами остальных членов экспедиции, по его указаниям занимавшихся подробным изучением характера разрушений в городе и его окрестностях. В целях установления направления землетрясения, положения его эпицентра и глубины очагов были сделаны многочисленные замеры положений трещин в стенах зданий и сдвигов по ним.
За время болезни собрав все официальные сведения о землетрясении и ознакомившись с общим характером разрушений, И. В. Мушкетов составил четкую программу дальнейших действий каждого из членов экспедиции. И. В. Игнатьеву было поручено проследить результаты землетрясения к северу от г. Верного — до г. Копала и далее до г. Сергиополя; Ф. П. Брусницыну — к востоку от г. Верного, по р. Или дойти до Кульджи, собрать там сведения от местного населения и оттуда выйти на Колкан, чтобы совместно с И. В. Мушкетовым (который должен был туда прибыть) осмотреть там месторождение каменного угля и решить вопрос о продолжении разведок; М. Н. Лямину и Э. А. Штедингу — к западу от г. Верного, включая западное побережье оз. Иссык-Куль и ущелье Боам и, кроме того, собрать дополнительные сведения о сильном землетрясении (Беловодском), которое произошло в этом районе 22 июля 1885 г.; топографу П. А. Рафаилову — провести нивелировку от г. Верного до оз. Иссык-Куль, а топографу Стрижевскому — съемка долины р. Аксая, в пределах распространения сильных обвалов, возникших от землетрясения.
На себя лично И. В. Мушкетов взял исследование центральной области землетрясения — преимущественно в горах между г. Верным и оз. Иссык-Куль, а также к востоку от Верного. В маршрутах его должны были сопровождать фотограф С. Ф. Николаи и рисовальщик Н. Г. Хлудов. Из Верного на оз. Иссык-Куль И. В. Мушкетов прошел по линии нивелировки, которую вел П. А. Рафаилов; затем по восточному побережью озера вышел к г. Каракол (ныне Пржевальск), оттуда перевалил в долину р. Чилик и, побывав на Калкане, возвратился в г. Верный. По окончании этого маршрута И. В. Мушкетов направился к западу от г. Верного и в Беловодске встретился с М. Н. Ляминым и Э. А. Штедингом. Вместе они продолжали вести наблюдения за последствиями землетрясения до г. Ташкента, где и закончили работы 8 сентября 1887 г. В Петербург возвращались через Самарканд, Бухару, Закаспийскую область и Астрахань. За сравнительно короткое время (около двух месяцев) участниками экспедиции был собран большой и интересный материал о разнообразных физико-геологических процессах, вызванных этим разрушительным землетрясением.
Прибыв в Петербург, И. В. Мушкетов занялся обработкой этих материалов и уже 5 ноября 1887 г. представил Присутствию Геологического комитета предварительный отчет по исследованию Верненского землетрясения, а окончательный был им завершен в начале 1889 г. и опубликован в 1890 г. Как установил И. В. Мушкетов, Верненское землетрясение по площади распространения не уступало таким крупным землетрясениям, как Чилийское (1822 г.), Греческое (1870 г.) и др. Эта область имела форму неправильного эллипса, длинная ось которого простиралась согласно с простиранием Тянь-Шаня почти на 1500 верст, а короткая — в перпендикулярном к ней направлении — почти на 900 верст. Эпицентр землетрясения располагался на северном склоне Заилийского Алатау и представлял собой полосу не более 5 верст в ширину и около 35 верст в длину. Центр (или фокус) землетрясения, согласно расчетам, находился на глубине от 5 до 15 верст. На северном склоне Заилийского Алатау, прилегающем к району Верного, на протяжении около 80 верст и особенно в пределах эпицентра землетрясение вызвало крупные обвалы, сдвиги, оплывины (грязевые потоки) и оползни, которые местами запрудили русла потоков, образовавших временные озера. Была перекрыта и р. Малая Алматинка, снабжавшая водой г. Верный. В результате до полудня 28 мая все арыки в городе оставались сухими, пока вода не прорвалась и не хлынула в виде грязного потока, что потом и послужило поводом для паники. Громадные оползни и оплывины возникли в долинах Кутур-Булак, Прямой Щели, Большой Алматинки, Джаман-Булак, Аксай и др.