На службе у генерал-губернатора Чокан изучал историю, этнографию, литературу и культуру народов Средней Азии, путешествовал по Центральному Казахстану, собирал материалы и писал статьи по истории степного края, об обычаях и традициях, религии казахов.
В 1856–1857 гг. Ч. Валиханов совершил научно-исследовательскую и этнографическую экспедицию к заилийским кыргызам и в аулы Старшего Жуза, в Кульджу, где познакомился с историей Джунгарии. В этих поездках он написал популярные «Очерки Джунгарии», «Записки о киргизах», «О жанрах казахской народной поэзии», «Дневник поездки на Иссык-Куль», «Предания и легенды большой киргиз-кайсацкой орды» и другие работы, которые стали основой совершенно нового взгляда на казахов, их культуру и литературу. Эти очерки и статьи были высоко оценены русскими учеными.
Экспедиция в Кашгар (Джунгарию) – важный этап в жизни Валиханова. Всего четыре европейца побывали там до него: в XIII в. знаменитый Марко Поло, в XVII – некий монах-иезуит Гаес и во второй половине XIX в. – англичанин, имя и судьба которого остались неизвестными, да еще отчаянный молодой немецкий путешественник, ученик великого Гумбольдта, Адольф Шлагинтвейт, исчезнувший в ходе своей дерзкой экспедиции в Центральную Азию.
Китайские власти всячески препятствовали проникновению иностранцев в Джунгарию. Любой европеец, оказавшийся в Кашгаре, рассматривался ими как шпион, и подлежал смертной казни.
В июне 1858 г. Валиханов отправляется в путешествие, навсегда оставшееся в анналах российской географической науки. Ему исполнился тогда 21 год. В путь Чокан тронулся с караваном семипалатинского купца Мусабая Тохтубаева. Он путешествовал под чужим именем Алимбая, переодетый в восточную одежду и с обритой, по местному обычаю, головой. За полтора месяца достигнув верховий реки Или, купцы провели затем месяц, занимаясь торговлей с киргизами, после чего караван двинулся к китайской границе. Пройти через Тянь-Шань в сентябре оказалось делом нелегким.
Во время пребывания в Кашгаре Валиханов познакомился со многими чиновниками и другими местными жителями. Ему удалось собрать сведения о населении и дорогах «страны шести городов», как называли уйгуры Кашгарию. Исследователь записывал также данные о климате и природе страны, ее экономике. Ему удалось разгадать тайну гибели английского путешественника Шлагинтвейта, погибшего от руки местного феодала Якуб-бека.
12 апреля 1859 г., через 11 месяцев после начала путешествия, Чокан Валиханов вернулся в город Верный. Он был встречен как герой, открывший неизвестные земли, поощрен, направлен в Санкт-Петербург, где у него состоялась встреча с царем, на которой император отметил его особые заслуги перед отечеством.
