Чихачев выехал из Петербурга 1(12) марта 1842 года.
От Петербурга до Нижнего Новгорода местность была практически однообразная, в основном степь. Чихачев спустился к руслу Волги и впоследствии в своем труде описал народы, живущие там. Геологические исследования были проведены Петром Александровичем Чихачевым в городах Барнаул и Бийск. В Бийске Чихачев занимался, кроме геологии, изучением растительности тех мест.
Экспедиция достигла Верхней Каменки, где уже вместо санных и колесных экипажей была вынуждена использовать верховых лошадей.
С Верхней Каменки караван, насчитывавший 52 лошади, направился к переправе через Катунь в районе Большого Улегоша, следуя через деревни Алтайская, Черга и Сарази. На своем пути Петр Александрович тщательно изучал различные горные породы окружающей местности, среди которых преобладали слюдяные и глинистые сланцы.
Чихачев также составил стратиграфические схемы и сделал зарисовки расположения пород, особенно в местах их контакта.
Экспедиция вскоре достигла красивейшей реки Алтая — Катуни. Переправа через нее была долгой и довольно трудной.
Ближайшей целью путешественников после переправы через Катунь было выйти к устью Чуй, а затем добраться до ее истоков по Чуйской долине. Караван с трудом преодолел этот путь за две недели. По низовьям Чуй путешествовать было весьма опасно, ибо дорог здесь не было, а горы иногда настолько «теснили» реку, что проезд вообще был невозможен. В этом случае приходилось подниматься по горным склонам.
Следующей задачей экспедиции стало изучение истоков реки Чулышман. Исследовав их, Чихачев по долине реки Джалду направился к реке Башкаус, где его особенно восхитила необычная природа.
Подробно изучив эту местность с геологических, орографических, климатических и ботанических позиций, экспедиция в течение нескольких дней то пересекала горные массивы, то спускалась в долины. Почти весь ее путь сопровождался страшным ураганом и дождем, что было весьма неприятно, ибо астрономы предсказывали солнечное затмение, а Чихачев хотел провести за ним пронаблюдения.
В долине реки Алаш экспедиция стояла пять дней, и в течение этого времени Чихачев составил орографическую карту местности.
П.А. Чихачев провел также детальное изучение местности и населяющих ее людей. Он детально изучил их нравы, язык, внешний тип.
В августе экспедиция добралась до Красноярска, а оттуда Чихачев направился к Ачинску через места, знаменитые разработками золота. Впоследствии он подробно описал методы разработки золота, условия жизни и быта, доходы золотопромышленников и оплату труда рабочих.
Дальнейший путь экспедиции проходил через Успенку, Баново, Сартаково. Затем путешественники достигли Кузнецка и от него направились в Змеиногорск. Здесь Чихачев исследовал знаменитый Змеевский рудник, известный не только в России, но и в Западной Европе.
Из Змеиногорска П.А. Чихачев направился к Николаеву, затем в Павловск, Шемонаиху, Выдриху и Рулиху. Начиная с Шемонаихи в деревнях, в основном, жили старообрядцы. Чихачев назвал их «весьма красивыми людьми, замечательными своим трудолюбием».
25 сентября (7 октября) Чихачев достиг Усть-Каменогорска. На этом его экспедиция по Алтаю закончилась, и караван двинулся в обратный путь.
25 сентября 1877 года Петр Александрович отправился из Парижа в новое путешествие в — Северную Африку. Началось оно с Испании, которую Чихачев пересек с севера на юг, и впоследствии подробно описал.
8 октября Петр Чихачев выехал из Мадрида в Толедо, а оттуда направился в Севилью и в Кадис. 23 октября он уже покинул Кадис, добравшись за один день на пароходе до Гибралтара.
Здесь Чихачев провел исследования флоры и фауны, которые до сих пор представляют значительную ценность. В его описаниях с использованием палеонтологических данных и работ древних географов дается история развития животных и растительности полуострова. Чихачев также пытается установить период образования пролива, руководствуясь палеонтологическими ископаемыми.
Из Гибралтара П.А. Чихачев направился в город Малагу, привлекшую его своим климатом, «необыкновенно приятным для культуры апельсин и винограда», а затем в Гранаду. Описывая ее великолепную природу, он отметил жалкие условия жизни местного населения, ютящегося в скалах в окрестностях города…