Так называемые академические экспедиции охватили огромную территорию — от Поволжья и Урала до Ледовитого океана, от Петербурга и Москвы до Забайкалья и Кяхты. Они открыли новую эпоху в изучении России. После издания описаний путешествий Палласа, Гмелина-младшего, Лепехина и других география нашей страны впервые становится на прочную основу. Академик Л. С. Берг писал: «В течение 1768–1774 гг. Академия, можно сказать, открыла всему свету новую часть мира — Россию. Грандиозный план исследований, широта размаха их и удачный подбор руководителей до сих пор вызывают изумление».
Паллас возглавил Первую Оренбургскую экспедицию, которая за четыре года (1768–1772) всесторонне обследовала Заволжье, Закамье, местность вдоль Уральского хребта и р. Урал — от Перми до Гурьева. С Палласом были «студенты Академии» (будущие академики) В. Ф. Зуев, Н. П. Соколов, а также Антон Вальтер, «чучельник» Шумский, рисовальщик Дмитриев. Позже к отряду присоединились капитан Н. П. Рынков, географ И. Георги и другие. В путешествии Палласа сопровождала жена, не побоявшаяся тягот странствий по России.
Нагруженный тяжелой кладью обоз экспедиции выехал из Петербурга 21 июня 1768 г. С первого же дня Паллас аккуратно заносил в путевой дневник свои наблюдения. Значение этих записей огромно. Необыкновенный талант наблюдателя виден здесь в каждой строчке. Русский натуралист начала двадцатого века Э. Ф. Люткевич говорил: «Описания природы Скифии у Геродота, Галлии у Цезаря, Германии у Тацита незаменимы, ибо никакой естествоиспытатель нашего времени не находит в этих странах полной картины описанной ими природы. Такое именно значение… имеют труды великого ученого- Петра Симона Палласа: в них содержится немало данных, которые в настоящее время уже перестали существовать и сохранились лишь в интересных и точных его описаниях». Результатом его исследования стал монументальный труд «Путешествие по разным провинциям Российской империи» (2000 страниц «ин кварто» с многочисленными рисунками), вышедший в свет в 1773–1788 гг. Здесь описаны местности Юго-Восточной России, Урала, Сибири, Прикаспия, Поволжья, Северного Кавказа, Забайкалья в том виде, какими они были двести лет назад, когда флора и фауна значительно отличались от нынешних. С величайшей точностью академик описал горы, степи, реки, озера, флору и фауну (более 425 видов и разновидностей птиц, 150 млекопитающих и т. д.), климат, дал этнографическое и антропологическое описание многих народностей России. Особенно замечательны его описания Великих Булгар, столицы прикамских болгар в VII–IX вв., уральских и саянских могильников, древностей Юга России.
В реке Клязьме Паллас изучал рыбье население. Вот образец его стиля: «Река Клязьма, большой излучиной до города (Владимира. —Е. Ч.) касающаяся, нарочито изобильна рыбою, а особливо в ней много судаков, окуней, ершей, щук, подустов, жерехов, головлей, плотвы, язей, уклейки и проч. Стерлядей ловят только редко, а еще реже, и почти в одной только речке Нерехте, текущей в Клязьму, попадают форели».
На реке Пьяне (у д. Барнуково) он впервые описал карстовую пещеру (ныне знаменитая Барнуковская пещера). А в ноябре 1768 г. в верховьях рек Кинели и Самары Паллас обнаружил сайгака и тоже впервые подробно описал его. На Волге он указал местным рыбакам на нелепость поверья о несъедобности «же-лезницы» (сельди-черноспинки) и рекомендовал коптить ее. Лишь в конце XIX в. этот вид занял принадлежащее ему по праву место в рыбном хозяйстве бассейна Волги. В тридцати верстах от Симбирска, на реке Бирючае (притоке Свияги), были найдены остатки скелета мамонта. Паллас принял их за кости индийского слона, высказав в то же время мысль о происхождении их «от древних и важнейших стремительных перемен земного шара». Дикую лошадь, бродившую табунами в истоках Бузулука и Большого Иргиза, он назвал Equus ecuiferis. Некоторые современные зоологи считают ее тарпаном, другие — лошадью Пржевальского. Ныне тарпан исчез почти совсем.
Ничто не ускользало от взгляда Палласа. В Яицкой степи он обнаруживает «…знатный шанец, который известен яицким казакам под именем Маринкина городка; но они не знают больше никакого о том известия, как только сие, что Маринка была такая женщина, которая в прежние времена ходила на разбой из онаго городка. За вероятное почесть можно, что сие место укреплено и проименовано по Марине Сандомирской, супруге ложнаго Димитрия. Маринкин городок находится на высоком степном месте при буераке…». Исследуя возвышенности Ергени, Жигули, Общий Сырт и различия флоры к северу и югу, Паллас высказал предположение, что Общий Сырт и Ергени — это древний берег Каспия, который некогда сообщался с Черным морем. В Гурьеве пристальное внимание Палласа привлекли колебания уровня Каспия, и он дотошно расспрашивал об этом старожилов.