Летние каникулы 1883 года Грумм-Гржимайло решил использовать для исследования лепидрптерологической фауны Среднего Поволжья и поэтому все лето провел у А.И. Павлова, в его имении в Аткарском уезде Саратовской губернии.
Вскоре Григорию Ефимовичу представилась возможность поехать в Среднюю Азию. Но попасть туда нужно было лишь к началу весны — время, благоприятное для собрания коллекций бабочек. В этом случае экспедицию субсидировал великий князь Н.М. Романов.
Грумм-Гржимайло после его долгих просьб все же разрешили досрочно сдать экзамены. После этого Совет Петербургского университета утвердил Григория Ефимовича в ученом звании кандидата естественных наук.
В 1884 году Грумм-Гржимайло отправился на Алай за бабочками.
Согласно выработанному маршруту, Григорий Ефимович должен был посетить озеро Кара-Куль, Алайскую долину, пройти как можно дальше по реке Муксу, а затем подняться на ледник Федченко и изучить направление хребтов и характер местности по реке Маркансу, конечно, если это возможно.
В Алайскую долину Грумм-Гржимайло решил проникнуть по Ош-Вадиль-Караказыкскому пути.
20 мая Григорий Ефимович покинул Ош. Его сопровождали четверо казаков Оренбургского войска. 30 мая он прибыл в Вадиль, расположенный у подошвы Алая. Через Алайский хребет путешественник перешел 20 июня Караказыкским перевалом… Экспедиция закончилась 20 августа.
Таким образом, Грумм-Гржимайло за три месяца прошел 600 км, из них часть — одновременно выполняя глазомерную съемку. Ему удалось собрать не только богатую лепидоптерологическую коллекцию, насчитывавшую свыше 12 тысяч экземпляров при 146 видах (а 30 видов были вообще новыми для науки), но и большую коллекцию позвоночных, которая также заняла свое место в Зоологическом музее. Кроме того, во многих местах были произведены измерения высот, сделаны термометрические наблюдения за все время пути и собран интересный этнографический материал.
Среди пойманных на Алае и Памире бабочек были и такие виды, которые известны только в Гренландии и в приполярной Америке, а у нас — в Лапландии.
Осенью 1884 года Грумм-Гржимайло решил не возвращаться в Петербург, а, учитывая хорошие результаты, продолжить путешествие. Он разработал по крайней мере два проекта. В первый проект входило посещение Мервского оазиса, долины Мургаба, а затем, если будет возможность, хребта Копет-Даг, а обратно долиной Мургаба добраться до г. Андхой и долиной Аму-Дарьи попасть в горную Бухару. Второй проект заключался в следующем: из Самарканда предполагалось попасть непосредственно в горную Бухару. Грумм-Гржимайло очень хотелось посетить хребет Копет-Даг, ибо это была область никем из европейцев еще не изученная.
Григорий Ефимович отправил письмо Николаю Михайловичу Романову, в коем описал свои проекты путешествий и попросил князя выбрать наиболее приемлемый из них и послать денег. Романов одобрил второй маршрут и послал Грумм-Гржимайло вместе с ответом 2000 рублей.
Однако собранных средств для проведения экспедиции оказалось мало, и Григорий Ефимович начал искать дополнительные источники финансирования. Он пытался добиться вьщеления средств у Зоологического музея, но из этого ничего не вышло. Тогда Грумм-Гржимайло добился субсидирования своей экспедиции Географическим обществом. Последнее не только выслало ему открытый лист, рекомендательные письма и 800 рублей, но и выхлопотало у туркестанского генерал-губернатора Н.О. Розенбаха прикомандирование к экспедиции для проведения топографических работ нескольких человек.
Экспедиция вышла 29 марта 1885 года из Самарканда и закончилась 9 августа. В течение этих пяти месяцев Грумм-Гржимайло посетил Каратегин и Дарваз, горные бекства Бухары, познакомился с фауной этих областей.
По окончании экспедиции Григорий Ефимович оставался в Самарканде еще неделю, за это время написав два предварительных отчета. В Петербург он вернулся уже в середине сентября.
С момента возвращения из этой экспедиции особое покровительство и поддержку Грумм-Гржимайло стал оказывать тогдашний председатель Географического общества П.П. Семенов-Тян-Шаньский.
Весной 1886 года Григорий Ефимович стал готовиться к новой экспедиции, предварительно издав отдельной брошюрой написанный по заданию Министерства государственных имуществ «Очерк сельского хозяйства в Туркестане». На сей раз маршрут предполагал посещение южных областей западных разветвлений Тянь-Шаня. В задачу экспедиции входило проведение сравнительных зоогеографических исследований для определения связи между памиро-алайской и тянь-шаньской фауной. Поездки субсидировали Географическое общество и Н.М. Романов.