В 1832 г. Г. С. Карелин возглавил большую правительственную экспедицию по изучению северо-восточных берегов Каспия и был первым исследователем этих «пустынных мест». На четырех плоскодонных судах от Гурьева он перешел к 54° в. д. и в начале июня обследовал и описал залив Мертвый Култук (ныне – сор). У горы Жаманайракты (153 м над уровнем океана) отряд высадился на берег.
«Нам представилась дикая картина... живописною рукой природы набросанная. Из... громады камней возвышались разнообразные исполинские утесы, представлявшие... развалины, колокольни, башни, столбы, пирамиды...». За горой Карелин прошел немного к юго-западу по плоской возвышенности. Далее уходила «на необозримое пространство... плоская ровная степь, изредка покрытая скудным кустарником и низкорослым саксаулом».
Оттуда Карелин проследовал морем на юго-запад до «глухого конца Кайдака» — узкого залива Каспия, теперь также превратившегося в сор, продолжив изучение западного уступа Устюрта, возвышавшегося над заливом «крупными и обрывистыми скалами». Затем экспедиция, обогнув п-ов Бузачи, перешла к Мангышлаку. Карелин две недели обследовал «крутые скалистые меловые утесы» небольшого хребта Мангыстау (Карелин называет его Мангышлакским кряжем), подобно Устюрту имеющего ровную поверхность и только у моря оканчивающегося «обрывами, которые образовали... уступы и с моря представляются как бы настоящей горной цепью». (Этим и объясняется, что на прежних картах здесь наносились «Туманные горы».) В начале августа работы были закончены; Карелин составил карту северо-восточного Каспия.
В мае 1836 г. Карелин продолжил съемку и опись восточного берега Каспийского моря. Задача экспедиции заключалась также в исследовании «естественных, по трем царствам природы, произведений». На парусном шхоуте (тяжелом плоскодонном судне) он от Баку перешел к Чeлекену, спустился к югу до Горганского залива и в июне заснял его. Здесь благодаря опытному проводнику и собственному дипломатическому таланту Карелиу удалось сблизиться с независимым племенем туркмен – иомудов; его этнографическая характеристика иомудов сохранила значение до наших дней.
Продвигаясь к северу, экспедиция обследовала юго-восточное побережье Каспийского моря с близлежащими островами. Высадившись на берег против Челекена, Карелин добрался до хребта Большой Балхан и довольно точно определив высоту, нанес его на карту. На северном берегу Красноводского залива он описал горы (Красноводское плато): «Они тянутся не сплошным хребтом, но образуют отдельные беспорядочные купы». В конце сентября экспедиция подошла к песчаным косам, ограждающим море от «страшного и таинственного» залива Кара-Богаз-Гол. Карелин оказался первым, кто решился проникнуть в эту «черную пасть». Через узкий пролив со стремительным течением он на лодках впервые вошел в залив; здесь его отряд разделился на две партии для описи северного и южного берегов. Пройдя в обе стороны соответственно 50 и 20 верст, отряд Карелина отступил; северная партия во главе с Иваном Федоровичем Бларамбергом чуть не погибла. «На Каспийском море нет прибрежий во всех отношениях негодных», — решил Карелин (он понял свою ошибку через много лет). В ноябре 1836 г. экспедиция прибыла в Астрахань. Опись и исследования 1832—1836 гг. охватили все восточное побережье Каспийского моря на протяжении 1200 км.
В 1840 г. Эверсман по материалам своей экспедиции и данным Карелина точно установил границы Устюрта и подробно описал его в работе «Естественная история Оренбургского края».
Все побережье залива Кара-Богаз-Гол в 1847 г. обошел с точной съемкой лейтенант Иван Матвеевич Жеребцов. Северный берег, по его данным, крут и обрывист; ни травы, ни деревьев нет. Вдоль восточного возвышаются унылые горы, а южный низок и покрыт множеством соляных озер. Пребывание, даже кратковременное, в водах Кара-Богаз-Гола порождает чувство великого одиночества и тоску. Съемкой южного берега залива Жеребцов закончил фактическое оконтуривание Красноводского п-ова.