Они расстались Достоевский спешил в Кузнецк сочетаться браком, но скоро вернулся, уже с молодой женой, и прогостил у Петра Петровича еще две недели... Летом 1857 года Семенов во главе большого отряда вышел из Верного. На этот раз его спутником был художник Павел Михайлович Кошаров учитель рисования Томской гимназии. Он прошел по северному склону Заилийского Алатау на восток до реки Чилик; через параллельные кряжи Согеты и Тораигыр и заключенное между ними сухое, безводное и... бесплодное плоскогорье достиг верхнего течения Чарына, притока Или. С узкого гребня Тораигыра на юго-востоке Семенов первым из европейцев увидел величественный Хан-Тенгри. Перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, он прошел на юг к северным склонам Терскей-Ала-Тоо. В один из вечеров, остановившись на ночевку, Семенов насладился чудесной панорамой: Солнце уже склонялось к вечеру, над Кюнгеем носились темные облака, эффектно освещенные солнечным закатом. В то время, когда Снежные вершины Кюнгей-Ала-Тоо уже начали загораться... альпийским мерцанием, мягкие куполовидные предгорья были облиты светом... как будто горы горели и дымились , Поднявшись на перевал в Терскей-Ала-Тоо, он увидел на юге реки Нарын верховья древнего Яксарта (Сырдарьи). Перед ним расстилалась волнистая равнина с зелеными озерцами сырты Внутреннего Тянь-Шаня. Спуститься к Нарыну Семенов не решился, так как лошади были изранены и измучены, поэтому он вернулся к Иссык-Кулю, затем перевалил Кюнгей-Ала-Тоо и достиг реки Чилик. Отдохнув в ауле и наняв свежих лошадей, Семенов вышел к Нарыну и поднялся по его левой составляющей. С перевала в Терскей-Ала-Тоо он был ослеплен неожиданным зрелищем... [на юго-востоке] возвышался самый величественный из когда-либо виденных мной горных хребтов. Он весь, сверху донизу, состоял из снежных исполинов (Семенов насчитал их не менее 30)... Как раз посередине... возвышалась одна, резко... отделяющаяся по своей колоссальной высоте белоснежная остроконечная пирамида... Хан-Тенгри, долгое время считавшийся высшей точкой (6995 метров) Тянь-Шаня. Спустившись в долину реки Сары-Джаз (бассейн Тарима), он прошел к ее верховьям, где открыл огромные ледники, в существовании которых он прежде сомневался, а затем вернулся в Верный. На этот раз Семенову выделили для охраны казачий конвой в пятьдесят сабель, и, кроме того, к нему должен был примкнуть Тезек султан Большой орды со своим отрядом в полторы тысячи человек. С такими силами можно было рассчитывать на успех предприятия. Вместе с Кошаровым Семенов обследовал предгорья Заилийского Алатау, в Алмаатинской долине открыл новую породу клена, родственную гималайской, которую потом так и назвали кленом Семенова , перешел реку Талгар, поднялся на вершину горы до высоты почти в три тысячи метров и, стоя над облаками, в восхищении замер.
Перед ними снова возвышались Небесные горы... Дорога в глубь Тянь-Шаня неожиданно оказалась открытой. Сарыбагиши, узнав о приближении сильного отряда, отошли на реку Чу, освободив захваченные у богинцев пастбища. Тезек настаивал на продолжении похода, чтобы свести счеты с сарыбагишами, но Семенову не хотелось вмешиваться в междоусобные распри. Он оставил Тезека охранять кочевья богинцев на берегах Иссык-Куля, а сам вместе с Кошаровым и конвойным отрядом через Заукинский перевал двинулся к истокам Нарына. Эта река, верхняя часть Сырдарьи, давно занимала его воображение. Ведь никто не видел ее истоков, терявшихся где-то в горных озерах. Этот поход едва не стоил ему жизни. Тропа на перевал шла круто, все время по краю пропасти, лошадь Семенова с трудом поднималась, осторожно ступая по ненадежным камням и косясь на трупы лошадей, верблюдов, баранов, попадавшихся едва ли не за каждым поворотом тропы. Внезапно она вскинулась, Семенов чудом успел высвободить ноги из стремян и ухватиться за нависающий камень скалы, как лошадь исчезла в пропасти. Подъехал Кошаров, помог спуститься Семенову. Оба молча смотрели на труп богинца, которого испугалась лошадь... Спустившись с перевала, они прошли по равнине и приблизились к трем озерам, дававшим исток небольшим речкам, сливавшимся неподалеку в единое русло. Нарын... Он нес свои воды на юго-восток. Но лошади были измучены, и, проблуждав часа два меж истоков Нарына, Семенов принимает решение пуститься в обратный путь. Потом он собрался пойти к Хан-Тенгри, горной группе, самая высокая вершина которой считалась и высочайшим пиком Тянь-Шаня. Хан-Тенгри царь всех духов небесных... Семенов измерил его. Семь тысяч метров. На склонах Тенфи-тага, Петр Петрович обследовал гигантский ледник, самый большой на Тянь-Шане которому позже дадут его имя. И тут же, неподалеку от ледника, увидели кочкаров баранов с массивными, могучими рогами. Зоологи считали, что кочкары полностью вымерли. Я мог рассмотреть в свой бинокль, вспоминал исследователь, что это были громадные бараны с теми характерными рогами, черепа которых мы находили во множестве в долине Сарыджаза . Со времен Марко Поло их впервые видел ученый... Но ценным оказался и собранный на склонах Хан-Тенгри гербарий. Четыре новых вида растений подарил Семенов ученому миру. Экспедиция была успешной. Однако Семенов не нашел доказательств теории Гумбольдта о вулканическом происхождении Тянь-Шаня. Осталась последняя надежда Арал-тюбе гора, возвышающаяся посреди озера Ала-Куль. Шаг за шагом обследует ученый Арал-тюбе, но так и не находит следов вулканизма.
Тем самым Семенов опровергает ошибочную теорию Гумбольдта. В конце сентября Семенов появляется в Семипалатинске. Сам он называл свое короткое путешествие научной рекогносцировкой северо-западной окраины Центральной Нагорной Азии . Но результаты ее оказались значительными: он проследил Кюнгей-Ала-Тоо на 150 километров, Тёрскей-Ала-Тоо на 260 километров, обследовал Заилийский Алатау, связанный, как он выяснил, с другими хребтами Тянь-Шаня и образующий его передовую цепь: открыл огромную ледниковую область в верховьях Сарыджаза и тянь-шаньские сырты; установил, что питание реки Чу не связано с озером Иссык-Куль (напротив, как он доказал, иногда во время особо высокого половодья часть воды реки Чу через короткий проток Кутемалды изливается в Иссык-Куль), привел бесспорные доказательства отсутствия вулканизма в Средней Азии; первый установил высотные природные пояса Тянь-Шаня и высоту снеговой линии хребтов; впервые исследовал местность в истоках Нарына, Текеса и Сарыджаза, то есть рек, принадлежащих трем из четырех крупнейших речных систем Центральной Азии Сырдарьи, Или и Тарима; подметил характернейшую особенность Тянь-Шаня расчленение на параллельные цепи и образование продольных, широтных, очень длинных долин. Наконец, Семенов дал первое четкое деление северных цепей Тянь-Шаня, основанное на их орографических и геологических особенностях, так что ни один из более поздних путешественников XIX века, проходивших по тем же районам, не смог добавить к его данным ничего существенно нового. Но третьего путешествия во Внутреннюю Азию он так и не смог совершить. Политическое положение России осложнилось в отношениях с европейскими странами, в частности с Англией, у которой в Азии были свои интересы и которая делала все возможное, чтобы помешать России в ее продвижении в те страны, куда и она стремилась распространить сферу влияния. Петра Петровича по рекомендации адмирала Литке единодушно избирают вице-председателем Географического общества. Не жалея ни сил, ни времени, Семенов поддерживает молодых исследователей, готовых, как и сам он в свое время, отправиться на край света ради новых открытий. С его помощью организованы экспедиции выдающихся русских исследователей Пржевальского, Потанина, Козлова, Роборовского, Велиханова, Мушкетова, Обручева... Петр Петрович разрабатывал маршруты экспедиций, участвовал в их снаряжении, в составлении программы полевых научных работ. Свыше сорока лет (с 1873 по 1914 год) Семенов возглавлял Русское географическое общество. Он много работает пишет капитальные труды, собирает уникальную коллекцию чешуекрылых, которой разрешает пользоваться многим энтомологам, трудится на посту президента Русского энтомологического общества, пишет этюды по истории нидерландской живописи давно и глубоко изучает и собирает он работы голландских мастеров и делает все, чтобы прославить науку России и познать ее необъятную землю.
Тридцать лет мечтал он совершить первую перепись населения России и в 1897 году сумел добиться и этого. В год, когда исполнилось пятьдесят лет со дня его первого путешествия на Тянь-Шань, вышел царский указ, в котором объявлялось, что отныне и навсегда к имени Петра Петровича Семенова присоединяется титул Тян-Шанского. Семенов передал в Эрмитаж несколько сот картин голландских мастеров и несколько тысяч гравюр, несмотря на то что заграничные музеи предлагали ему сказочные деньги, да только напрасно. Вспоминая о славных трудах и подвигах русских путешественников и исследователей, Петр Петрович с гордостью говорил: Наша слава есть слава русской земли .