Продолжая исследование России, П. С. Паллас в начале лета 1771 г. пересек Ишимскую степь, достиг Омска, а затем поднялся по Иртышу до Семипалатинска (конец июня), по пути описывая небольшие соленые озера. Из-за простуды он смог приступить к работе лишь в середине июля и осмотрел северо-западную часть Алтая – бассейн верхнего Алея, причем, в излучине этого левого притока Оби выделил Колыванский хребет.
В начале июля он направил в горы своего спутника – студента академии Н. Соколова, вернувшегося почти через месяц. Его проводники не знали верной дороги, пришлось продираться через густой лес, в итоге вся одежда была изорвана в клочья. По небольшому потоку Н. Соколов поднялся на центральную часть Тигирецкого хребта, к востоку усмотрел другой хребет – Коргонский и обратил внимание на вертикальную зональность растительности гор.
Из Семипалатинска в начале сентября П. С. Паллас двинулся на север через Барнаул в Томск и отметил горы с плоскими вершинами (Салаирский кряж). Из Томска он направился в общем на юго-восток, пересек северную часть Кузнецкого Алатау, переправился в конце сентября через р. Чулым и вступил в пределы Минусинской котловины. Он обратил внимание на ее «прекрасные степи» и хорошие климатические условия. Из Абакана он отправил коллекции и вещи в Красноярск на плотах вниз по Енисею, а сам прошел берегом реки и прибыл туда в октябре 1771 г.
В начале марта 1772 г. П. С. Паллас двинулся на юго-восток, в Забайкалье, и по льду пересек Байкал. В низовьях Селенги путешественника поразили «страшные горы и леса... где Селенга хребет пробивает» — об этом писал и Д. Мессершмидт. По рр. Селенге и Чикою П. С. Паллас проследовал на юг, к купеческому городу Кяхте – его интересовали объем и содержание торговли. В начале апреля, после возвращения в низовья Селенги, он направился в «Даурию, которую здесь обыкновенно Закаменной называют», пройдя на восток вверх по долине р. Уды и через истоки р. Хилка к Чите, т. е. перевалил Яблоновый хребет. «За перевалом местность стала более открытой, вольной и приятной».
Из Читы П. С. Паллас прошел на юго-восток, к монгольской границе, описал бессточное озеро Торей (Барун-Торей), отметив, что в него впадают две реки – Ималка и Улдза. Озеро окружает «высокая открытая степь», изобилующая мелкими озерами. Здесь водится дикая лошадь «джигеттей», впервые описанная Д. Мессершмидтом; Паллас считал ее онагром (диким ослом).
Для обследования границы с Китаем и Монголией и «неведанных еще сей страны гор» Паллас направил Н. Соколова. В конце мая тот проехал по дороге на северо-восток примерно до 120° в. д., а оттуда направился берегом вверх по долине Аргуни, до ее колена близ озера Далайнор. Небольшой безымянный массив с отметкой 881 м в степи на китайской стороне показался ему высокими горами. Окружающая степь «совсем бесплодна, песчана и камениста», горы переходят в «отлогие пригорки». Затем Н. Соколов прошел вверх по левому берегу Онона и в конце июля достиг его притока р. Кыры (у 112° в. д.). Оттуда он выполнил восхождение на Сохондо (2499 м) в нагорье Хэнтей, долгое время считавшуюся высшей точкой Южного Забайкалья. Cоколов верно определил, что снеговые горы в районе этой вершины – истоки ряда рек – простираются в северо-восточном направлении. Он направился близ гребня Хэнтея, на юго-запад и достиг верховьев Онона.
Поднявшись еще на один двухтысячник – Кумыльский Голец, Соколов продвинулся далее к западу и отметил «превысокие и непроходные горы» по р. Ашинге, небольшому притоку Онона. В наше время здесь выделяют Чикоконский хребет, в центральной части которого находится вершина Южного Забайкалья – Барун-Шабартуй (2519 м). Продолжая маршрут на запад, Н. Соколов пересек несколько притоков р. Чикоя, вышел к этой реке у 108° в. д. и завершил первое обследование горной страны в пограничной полосе на протяжении более 1200 км.
Тем временем П. С. Паллас из района озера Барун-Торей продвинулся к северу, в низовья р. Борзи, описал небольшой массив Адун-Чолон, знаменитый своими минералами, и небольшое озеро. В начале июня он вернулся в Читу по дороге, пересекавшей ряд хребтов. Завершая работы в Забайкалье, П. С. Паллас направился на запад и отметил «высочайший хребет», отделяющий рр. Уду и Хилок: «он... неширок, покрыт... лиственничным лесом». В наше время между этими правыми притоками Селенги выделяют два основных хребта (Цаган-Хуртай и Цаган-Дабан, принятых Палласом за единое целое) и четыре второстепенных.
Перевалив Цаган-Дабан у 108°30' в. д., П. С. Паллас по рекам системы Селенги добрался до Гусиного озера, крупнейшего в Забайкалье, выполнил его описание и 20 июня вернулся в Селенгинск. По его собственному признанию, за все время путешествия по Сибири наиболее богатые ботанические и зоологические сборы пришлись на Южное Забайкалье и Прибайкалье. Он дал общую характеристику Забайкальской горной страны: «Пространство меж Байкалом и границей большей частью наполняют сухие открытые, прерывистые крутые каменные горы», среди которых раскинулись долины и равнины, приуроченные к отлогим склонам; по сравнению с территорией Западной Сибири они приподняты «весьма высоко» — такой верный вывод он сделал при сопоставлении растительности этих регионов; он отметил также суровость климата страны.
В августе 1772 г. П. С. Паллас вернулся в Красноярск. Ботанические сборы на территории Сибири позволили ему отвергнуть мнение И. Гмелина, проводившего границу между Европой и Азией по Енисею; она, по Палласу, должна проходить по Уралу. Осенью 1772 г. он вновь изучал Минусинскую котловину, отметил множество старинных могил и памятников, описав наиболее интересные и выполнив раскопки некоторых могильников.
С августа 1770 г. доктор медицины Иван Иванович Георги начал изучение Оренбургского края, Общего Сырта и прикаспийских степей. В 1771 г. И. Георги исследовал Алтай, а в следующем году его откомандировали в экспедицию Палласа. Летом 1772 г. он описал более 900 км побережья Байкала: от устья р. Бугульдейки (у 106° в. д.) до Верхней Ангары и оттуда – уже по восточному берегу озера – до устья р. Селенги; он плавал по Байкалу, описал о. Ольхон и составил карту озера.
Вернувшись к устью р. Баргузина, Георги прошел вверх по его долине до 100° в. д., а оттуда к верховьям р. Ины, левого притока Баргузина, перевалил Икатский хребет и вышел в бассейн Витима на р. Кыдымит; он был первым ученым, посетившим Витимское плоскогорье. Добравшись до Витима, Георги двинулся на север по Витимскому плоскогорью, вновь перевалил Икатский хребет и вернулся в долину Баргузина. Осенью он прошел до устья Селенги через Читу в Нерчинский край и обследовал забайкальские рудники.