Отчеты об этом путешествии составляют тома 3 и 4 «Очерков Северо-Западной Монголии»; в третьем помещены дневники, списки растений и т. п., в четвертом – этнографические материалы (о тюркских и монгольских племенах, семейном, общинном и религиозном быте, поверья, сказки и легенды). Составлением и изданием отчетов по монгольским путешествиям Григорий Николаевич был занят в Петербурге с 1880 по 1883 г.
В начале 1884 г. Потанин отправился в новое путешествие, более далекое, на средства Географического Общества и пожертвование сибирского мецената В. П. Сукачева. Эта экспедиция была снаряжена почти одновременно с четвертой экспедицией Пржевальского и имела главной задачей более подробное изучение восточной окраины Тибета, тогда как Пржевальский намеревался проникнуть в глубь этой страны с севера. На военном фрегате «Минин» Григорий Николаевич с женой, топографом Скасси и натуралистом Березовским, спутником его первого монгольского путешествия, отправился морем из Одессы, через Суэцкий канал и вокруг Индии в Китай. От Пекина началось сухопутное странствие; через провинции Чжи-ли и Шань-си с хр. У-тай-Шань экспедиция прошла в Куку-Хото, пересекла Желтую реку и Ордос и через восточную Гань-су вышла в Лань-чжоу. Уже в ноябре она прибыла в местность Сан-чуань в южном Нань-Шане, где осталась на зимовку для изучения монгольского племени широнголов.
Весной 1885 г. путешественники направились далее через Си-нин и монастыри Гумбум и Лабран на Амдосское нагорье, затем в г. Мин-чжоу, Си-гу и Сунпан на восточной окраине Тибета; изучая эту окраину и прилежащие части провинций Сычуань и Гань-су, они провели здесь второе лето и осень, а на зимовку через Лань-чжоу прошли в Гумбум, где изучали монастырский быт, а также окрестных тангутов нагорья. Весной 1886 г. экспедиция вышла на берег оз. Кукунора, где сбылась мечта Григория Николаевича, лелеянная им 30 лет: он увидел наконец это таинственное озеро и окружающие снежные горы, которым тангуты дают имя патриархов. Через эти горы – цепи Нань-Шаня – экспедиция прошла в город Ганьчжоу и затем вдоль р. Эцзин-гол в Центр. Монголию, пересекла Гоби и Монгольский Алтай и, наконец, через Хангай между р. Селенгой и Орхоном вышла поздней осенью в Кяхту. Маршруты этого путешествия на значительном протяжении, особенно на восточной окраине Тибета, в Нань-Шане, Ордосе, Центр. Монголии и Хангае, пролегают по местностям, еще не посещенным европейцами.
В отчете Григория Николаевича, составляющем 2 большие тома под заглавием «Тангутско-тибетская окраина Китая и Центральная Монголия», помещены путевые дневники, веденные с той же полнотой, как и во время монгольских путешествий, но рядом с ними также общие очерки посещенных стран и народов, отсутствовавшие в отчете о Монголии, иллюстрированные снимками местностей, зданий и туземцев. Второй том содержит сказки, легенды, исторические предания и т. п. разных народов и наречия широнголов, шира-ёгуров, хара-ёгуров и саларов – монгольских племен, живущих вперемежку с тангутами и китайцами в Нань-Шане и на окраине Тибета.
По возвращении из этого путешествия Потанин поселился в Иркутске, где занимался составлением указанного отчета, но, кроме того, принял живое участие в деятельности Восточно-Сибирского отдела Географического Общества, сделался его правителем дел, организовал вместе со священником Подгорбунским выставку принадлежностей буддийского культа, впервые познакомившую горожан с внешней стороной буддизма. Он же явился инициатором и организатором исследования быта и собирания народного эпоса бурят Иркутской губ. и Забайкальской обл., как шаманистов, так и ламаитов, произведенного местными силами. Под редакцией Григория Николаевича вышли первые тома трудов этнографической секции Отдела, и деятельность как этой секции, так и всего отдела заметно оживилась.