Но перед поездкой в Петербург Григорий Николаевич побывал еще в Томске, где познакомился с М. А. Бакуниным, и у своего родственника на золотом прииске в Мариинской тайге, так что, прежде чем сделаться путешественником-исследователем, успел познакомиться со многими местностями Зап. Сибири и Семиречья. В Петербург он отправился в 1858 г., благодаря содействию Бакунина, с караваном, везшим золото из Томска на Монетный двор, в качестве помощника начальника; не будь этого благодетельного для прежней Сибири учреждения, Григорию Николаевичу пришлось бы пробираться в столицу пешком.
В Петербурге Семенов и Кавелин помогли Григорию Николаевичу найти заработок, и три года он посвятил слушанию лекций в университете, а летом на свои скромные средства отправлялся на ботанические и геологические экскурсии, в 1859 г. – на р. Волхов, в 1860 г. – на р. Урал.
В своих воспоминаниях, печатающихся в газете «Сибирская жизнь» в Томске, Григорий Николаевич говорит, что в раннюю пору его жизни его планы двоились: когда он читал книги по естествознанию, ему очень хотелось сделаться натуралистом, а когда читал романы Диккенса – он мечтал стать писателем. Позднее, когда он был офицером, его мечты приняли более определенную форму – он начал уже думать о путешествиях в глубь Центральной Азии или об общественной деятельности в Сибири. Отправившись поступать в университет, он все еще колебался в выборе факультета – юридического или естественного. Благодаря детским и юношеским впечатлениям и офицерским поездкам, вопрос был решен в пользу естественных наук, но и в университете все-таки еще продолжались колебания между деятельностью натуралиста и публициста. Эти колебания происходили затем и в течение всей долгой жизни Потанина, и он уделял свое время и силы то преимущественно научной работе и путешествиям, то больше общественной и литературной деятельности.
В первые годы получила перевес наука. «Я прочитал „L’Asie Centrale”[2] Гумбольдта, – пишет Григорий Николаевич в своих воспоминаниях. – Воспламененное воображение рисовало находящееся в глубине Азии озеро Кукунор и окружающие его снежные пики, которым туземцы дают имена патриархов; на берегах этого озера не бывала нога европейца. Страницы об этих местностях написаны с такой пытливостью, с такой жаждой раскрыть тайны этой неизвестной страны, что читатель невольно загорается желанием увидеть берега этого отдаленного озера».
В 1861 г. Петербургский университет был закрыт, и Потанин не мог закончить свое образование; он вернулся вскоре на родину, а в 1863 г. его мечты о путешествиях осуществились – он был приглашен в состав разграничительной экспедиции, состоявшей под начальством астронома К. В. Струве и направлявшейся к границе с Китаем в области озера Зайсана. Хотя экспедиции не предстояло выезжать за русские пределы, но и П. П. Семенов и Г. Н. Потанин надеялись, что это только начало и что последнему затем удастся проникнуть и в глубь Центральной Азии.
Это первое путешествие Струве и Потанина началось весной 1863 г. в поселке Кокпекты у южного подножия Калбинского хребта; спустившись вдоль р. Кокпекты к оз. Зайсан, путешественники обогнули его с севера, изучая его берега, флору, фауну и условия рыболовства, затем перешли на Черный Иртыш, обследовали его правые притоки до китайской границы, перевалили через горы Сары-тау к оз. Марка-Куль в Южном Алтае и оттуда через пустынную равнину между рекой Курчум и оз. Зайсан вернулись к истоку Иртыша из озера, и затем в Кокпекты. Кроме естественно-исторических наблюдений, Григорий Николаевич собирал сведения о быте киргизов.
Зимой 1863/64 г. Григорий Николаевич съездил опять на оз. Зайсан для изучения условий зимнего рыболовства, а летом 1864 г. отправился вместе со Струве в хр. Вост. Тарбагатай, который прошел по гребню от перевала Кузеунь до горы Тас-Тау, обследовал высокие долины Чиликты и Терсайрык и южное подножие хребта между Урджаром и Чугучаком.
Отчеты путешественников были напечатаны в первом томе новых Записок Географического общества и представляют первое более полное описание озера Зайсан и окружающей страны с данными о флоре и фауне, о рыболовстве, о золотых приисках на р. Терс-айрык и о быте киргиз, в аулах которых исследователи прожили немало дней. Григорий Николаевич присоединил к отчету еще извлеченные из архивов сведения о караванной торговле с Джунгарией и о путях в эту страну, а также записи киргизских песен, загадок и сказок и названий растений. Эта первая поездка уже обнаружила в Григории Николаевиче качества вдумчивого и разностороннего наблюдателя.