Крепость Кизляр, расположенную на р. Тереке, И. Гильденштедт сделал своей базой и весь 1770 г. посвятил изучению Северного Кавказа, в частности р. Терека и его притока Сунжи. В следующем году он описал верхний Терек и его притоки Ардон и Малку, осмотрел выходы минеральных источников района Пятигорска и пересек в разных направлениях Ставропольскую возвышенность, затем он поднялся к истокам Терека, перевалил Главный Кавказский хребет по Дарьяльскому ущелью и долиной Арагви добрался до Тифлиса (Тбилиси).
В 1772 г. И. Гильденштедт изучил долину средней Куры и большую часть течения р. Риони, включая ее верховья. Летом следующего года, посетив побережье Черного моря в районе Батуми, он вернулся в Кизляр.
По материалам, собранным во время путешествия, он составил карту Кавказа и дал в общих чертах верную орографическую схему этой горной системы, имеющей, по И. Гильденштедту, широтное простирание (что справедливо для центральной части). Он выделил Главный хребет, состоящий в основном «из снежных гор» с ледниками, назвав его «льдистым гранитным кряжем», к северу – «высочайшую полосу» сланцевых гор (Боковой хребет наших карт, действительно включающий наибольшие кавказские вершины) и параллельно ему «Северный передовой хребет», рассеченный рр. Малкой, Баксаном и Тереком – несомненно, имелся в виду центральный участок Скалистого хребта.
Он выяснил также, что северные предгорья Кавказа переходят «частью при реках Кубани и Терека, частью за ними к северу в большую, сухую... соляную, безлесную степь, называемую около [Западного] Маныча Кубанской, а около Кумы Кумансной степью и простирающуюся между нижним Доном и нижней Волгой», — в наше время физико-географы включают их соответственно в Причерноморскую и Прикаспийскую низменности.