В 20-х гг. начались переговоры старейшин западных казахов (Младшего жуза), очень страдавших от набегов джунгар, о добровольном переходе казахов в русское подданство. Согласие правительства было дано в 1731 г., и И. Кирилов предложил построить крепость в устье р. Ори – форпост против джунгар.
Летом 1734 г. во главе большого отряда И. Кирилов прошел от Уфы вдоль левого берега Белой до Яика (р. Урала) и к устью Ори. В августе 1735 г. он заложил здесь крепость Оренбург (в 1740 г. переименована в Орск).
Название «Оренбург» в 1739 г. было перенесено на крепость, поставленную в 193 км ниже по Яику, а в 1743 г. передвинутую еще на 75 км ниже и через год ставшую центром края. Здесь и расположен нынешний Оренбург. На границе Башкирии И. Кирилов построил до 20 крепостей – по Сакмаре, Яику, Белой и Уфе, лично выбирая места для них. По его инициативе в крае была проложена сеть военных дорог общей длиной более 3000 км.
В Оренбургскую экспедицию И. Кирилов пригласил десять лучших геодезистов, в том числе А. Клешнина. Они выполнили съемочные работы вдоль укрепленной линии Самара-Оренбург-Екатеринбург (с 1924 г. Свердловск), а также в Заволжье и Закамье и составили карты различных частей огромного края. Одна из них, карта рек Самары и Яика, составленная Петром Чичаговым, давала первое представление об Общем Сырте. К северу от Самары П. Чичагов нанес «горы неравные» — первый намек на Бугульминско-Белебеевскую возвышенность; он показал также яры, характерные для берегов Сока и Кинели, и пойму Яика. Такая подробная характеристика рельефа, видимо, была обусловлена военным назначением карты.
В 1736 г. геодезист Михаил Пестриков создал сводную карту, охватившую пространство около 500 тыс. км2 от средней Волги (участок Казань-Самара) до Тобола и от линии Кунгур-Екатеринбург до Оренбурга и Яика. На этой по существу коллективной карте впервые схематически намечен рельеф части Южного Урала: горы в виде холмиков показаны в колене Белой и по ее левому берегу; горы «заполняют» также бассейн Уфы. Подробно и в общих чертах правильно сняты реки Самара, верхний и средний Яик, часть средней Камы с Белой; впервые на восточном склоне Урала нанесены верховья рек системы Тобола, а также многочисленные озера.
И. Кирилов, видя недостатки карты, требовал проведения новых съемок, и геодезисты не прекращали снимать «Башкирское жилье». Весной 1737 г. И. Кирилов, давно болевший туберкулезом, умер. Сменивший его В. Н. Татищев продолжал работы. В частности, по его поручению английский моряк Джон Элтон составил первую карту Самарской Луки, «о кривизне [которой]... в ланд-карты нигде подлинно внесено не было».