Таким образом, П. П. Семенов начинал свои исследования Тянь-Шаня не на пустом месте. При подготовке к своему центральноазиатскому путешествию он перевел со своими дополнениями книгу Карла Риттера «Die Erdkunde von Asien. Bd 1: Der Norden und Nord-Osten von Hoch-Asien» (Bln, Reimer, 1832), опубликованную под названием «Землеведение Азии Карла Риттера». Том 1: «Общее введение и восточная окраина восточной нагорной Азии».
В мае 1856 г. П. П. Семенов отправился в свое восемнадцатимесячное путешествие из Санкт-Петербурга через Нижний Новгород, Казань, Екатеринбург, Омск, Барнаул, Змеиногорск и Семипалатинск в недавно основанное русское поселение Верное (теперь Алматы), куда прибыл в августе 1856 г. Далее Семенов в сопровождении казачьего конвоя отправился для исследований высокогорных плато и хребтов, окружающих озеро Иссык-Куль. В 1856–1857 гг. (с перерывом на зиму, проведенную в Барнауле) П. П. Семенов исследовал западные отроги хребта Заилийский Алатау, Чуйскую долину, Боамское ущелье, горы Кунгей Алатау и Терскей Алатау, достигнув истоков реки Нарын (главного притока реки Сырдарья). Он был первым европейцем, поднимавшимся по склонам горного массива Хан-Тенгри, на котором открыл обширную группу ледников. В результате этого путешествия Семенов детально исследовал рельеф и геологическое строение Тянь-Шаня и сделал вывод о том, что гипотеза Александра фон Гумбольдта о вулканическом происхождении этих гор неверна. Следует, однако, заметить, что в результате современных исследований на Тянь-Шане обнаружены некоторые черты древнего вулканизма.
Благодаря путешествиям и исследованиям П. П. Семенова, его геологическим и биологическим коллекциям, а также топографическим и метеорологическим наблюдениям с акварельными иллюстрациями, выполненными экспедиционным художником Павлом Кошаровым, географическая наука обогатилась чрезвычайно важными и значимыми исходными данными о практически неизвестных европейцам районах Центральной Азии. Помимо этого большое значение имела этнографическая информация и анализ социальной и экономической жизни кочевых народностей киргизов. Флористические коллекции Семенова были впоследствии изучены такими авторитетными учеными-ботаниками, как Е. А. Регель, А. А. Бунге и Ф. Гердер в Петербургской академии наук и Ботаническом саду. Некоторые из привезенных П. П. Семеновым растений были ранее неизвестны науке, и его имя было увековечено в их названиях. Экспедиционные дневники П. П. Семенова 1856–1857 гг. весьма четко формулировали стратегию расширения владений Российской империи, которая была реализована на практике в последующие три десятилетия.
