Когда ему было всего девятнадцать лет, он отправился в Бухару в составе посольства Бутенева и Богословского. По тем временам такое путешествие было не только трудным, но и опасным предприятием. Произошло это в 1841 году, а через два года юный исследователь выступил в печати со своими первыми трудами. Ученый мир сразу же обратил внимание на его произведения «Описание Бухарского ханства», «О населении Киргизских степей» и «Городское управление в Средней Азии». Описание Бухары было вскоре переведено на три западноевропейских языка.
Так «гениальный юноша», как называли тогда Николая Ханыкова, начал свою ученую деятельность.
Твердо решив посвятить свою жизнь изучению стран Востока, Ханыков поехал на Кавказ и поступил на службу в Кавказское наместничество. Это дало ему возможность ознакомиться с жизнью и историей края, бытом кавказских народов.
Вскоре Николай Владимирович стал одним из руководителей Кавказского отделения Русского географического общества. Он исследовал Персидский Курдистан, составил записку о языках и наречиях народов Кавказа, написал ценные труды об изменениях уровня Каспийского моря и о старом русле Сырдарьи.
В 1853–1857 годах Ханыков был российским генеральным консулом в Тавризе. Он хорошо изучил природу и людей части Персии, примыкающей к озеру Урмия. Русский ученый устроил там метеорологическую станцию и установил постоянные наблюдения за погодой.
После пребывания в Персии Николай Ханыков получил должность переводчика в Азиатском департаменте министерства иностранных дел. Но исследователя не удовлетворяла департаментская служба. Он рвался в песчаные просторы Азии.
В 1858 году Н. В. Ханыков возглавил небывалую по размаху Хорасанскую экспедицию Русского географического общества. Она отправилась из Баку и высадилась на южном берегу Каспия.
Русские исследователи вступили в сады шаха Аббаса Великого в Ашрефе, где лишь мраморные развалины указывали на былое великолепие дворцов. Белые руины были окружены кипарисами и лимонными деревьями.
В Мазандеране и Астрабаде путешественники изучали местное плодоводство и особенно разведение апельсинов и лимонов. Была обследована также морская фауна побережья Мазандерана. Путешественники измеряли высоту, собирали растения, изучали направления ветров в Астрабадском заливе.
В Тегеране Н. В. Ханыков встретился с шахом персидским. Шах и весь кабинет министров заверили, что они всемерно помогут русской экспедиции выполнить свои научные задачи на земле Персии. Из Тегерана до самого Мешеда русских натуралистов сопровождал почетный конвой — полтораста шахских конников с одной пушкой.
Исследовательские работы Ханыкова и его сотрудников проходили очень удачно. В горах к югу от Астрабада были открыты виды птиц, присущие горам Кавказа. Между Астрабадом и Мешедом — главным городом Хорасана — русские ученые осмотрели бирюзовые копи и места добычи соли. Все время велись работы с точными приборами: исследователи изучали земной магнетизм, измеряли высоты, производили астрономические определения, выясняли геологическую историю недр.
Экспедиция направилась к Герату. Ханыков с увлечением находил и разгадывал надписи на древних памятниках. Знакомясь с племенем хезарэ, жившим на пространстве от Мешеда до самого Кабула, он открыл тайну происхождения этого племени. Хезарэ были потомками узбеков, принудительно переселенных завоевателями около 1397 года в Хорасан из Западного Туркестана.
Прибыв в Герат, путешественники подробно осмотрели реку Герируд, отводы для орошения полей, водопроводы, старинные памятники.
Город Герат называли «Жемчужиной мира». Он сторожил двери Афганистана и Индии. Недаром за два года до похода Ханыкова здесь грохотали английские пушки: англичане воевали тогда из-за «Жемчужины мира» с Персией, стараясь удержать Герат под своим влиянием. Этот город был всегда яблоком раздора между Персией и Афганистаном.
Из Герата русские путешественники отправились в пальмовые рощи Тебеса и подробно обследовали эту цветущую местность. Оказалось, что она была неправильно нанесена на карты прежними исследователями. Только русские съемки определили истинное положение Тебеса. Выяснилось, что он был закрыт горами от холодных ветров со стороны Гиндукуша, но теплый воздух свободно проникал в долину, и здесь даже осенью стояла почти тропическая жара.
На востоке владений Герата через горы пролегала прямая дорога на Кабул, которая была описана когда-то в сочинении Великого Могола Бабура, прошедшего путь от Ферганы до Индии.