Ни одно экспедиционное академическое мероприятие до этого не готовилось столь тщательно, как экспедиция 1768–1774 годов. Паллас с глубоким знанием дела разработал "Путевой план" экспедиции. Кроме того, за год пребывания в России он изучил русский язык настолько глубоко, что мог самостоятельно пользоваться русскими источниками.
21 июня 1768 года Паллас отправился в путь. Осенью того же года он въехал в пределы Оренбургской губернии, побывал в селе Спасском близ Бугульмы — имении Петра Ивановича Рычкова, от которого получил много ценных советов. Зиму 1768–1769 года путешественник провел в Симбирске (ныне Ульяновск).
К детальному изучению природы Оренбургского края Паллас приступил в июне 1769 года. Его путь лежал вдоль Самарской укрепленной линии на Оренбург. Паллас не мог остаться равнодушным к природе Оренбуржья. О Бузулукской крепости он пишет: "Ее можно представить себе приятнейшей страной: ибо во многих местах находится лес сосновый, осиновый, березовый, также есть излюбленные травами холмы и сенокосные луга"(3).
Паллас описывает Елшанскую, Бузулукскую, Тоцкую, Сорчинскую, Новосергиевскую и другие крепости Самарской линии. Сообщаемые им сведения имеют большое историческое значение.
Но особенно ценны наблюдения Палласа за животным миром края. Так, он пишет о широком распространении в Западном Оренбуржье медведей, "которые имеют берлоги в оброслых кустарником долинах". Приводятся данные о местах обитания бобров, выдр, кабанов, лосей, барсуков в окрестностях Бузулукской и Тоцкой крепостей. Повсеместно он отмечает "множество журавлей и диких серых гусей с детенышами"(4).
Паллас дал одно из первых описаний сайгаков, которые кочевали в то время в Оренбуржье большими стадами и переходили на правобережье реки Самары. Множество сайгаков было увидено им в июне 1769 года возле Новосергиевской крепости и в степях между Платовским редутом и Переволоцкой крепостью. "Сайгаки здесь людей не боялись", — заключает Паллас.
Очень интересны сообщения о тарпанах — малорослых диких лошадях, обитавших в прошлом в русских степях. Так, весной 1769 года жеребенок тарпана был пойман у Тоцкой крепости. Большие стада тарпанов отмечены Палласом в степях по верховьям Бузулука, Чагана и Иртека, на территории современных Курманаевского, Первомайского, Ташлинского и Сорочинского районов.
Следуя через Татищеву и Чернореченскую крепости, 1 июля 1769 года П. С. Паллас приехал в Оренбург, который он именует "главным пристанищем" "азиатского торгу".
Из Оренбурга Паллас совершил поездку к Илецкой Соли" куда прибыл 4 июля 1769 года. Исследователь дает подробное описание соляного рудника и приводит план-карту Илецкой Соли. Затем 9 июля отправляется к Орской крепости. По пути он описывает крепости и редут, природные достопримечательности. 13 июля прибыл в Орск, ознакомился с городом, побывал на Яшмовой горе.
А 21 июля ученый уже снова в Оренбурге и затем держит путь вниз по Уралу, к Каспийскому морю.
Паллас подробно описывает свой маршрут по правобережью Урала, характеризует окрестности Нижнеозерской и Рассыпной крепостей, Илецкого городка (с. Илек), Кинделинского и Иртекского форпостов. Опытный глаз натуралиста ничего не оставляет незамеченным. Паллас отмечает выходы мела у Чесноковки, находит редкие растения в заросших балках у Рассыпной, описывает песчаные барханы за Иртеком, "на которых растет дикий овес" и "достойная удивления курчавая степная малина", то есть кузьмичева трава, или эфедра.
Дальнейший путь Палласа пролегает вдоль реки Урал. Он делает большие остановки в Уральске и крепости Калмыковой. Здесь он изучал рыбные промыслы яицких казаков, которые затем подробно описал в своих "Путешествиях…".
Паллас отметил, что лов рыбы на Яике проходил четыре раза в году. Первый — самый важный — в январе, когда ловили преимущественно осетра и белугу баграми на ятовях или в зимовальных ямах. Второй лов приходился на май. В это время казаки сетями с лодок ловили севрюгу. Осетров и белуг, попавшихся в сети в мае, отпускали обратно в реку. В октябре следовала осенняя плавня, а в декабре велся лов местной рыбы на зимовалах для домашнего пользования. Рыбные промыслы яицких казаков строго регулировались местными законами и обычаями. Нарушители правил рыболовства строго наказывались.
Из крепости Калмыковой Паллас совершает небольшие поездки на Богырдай и к Индерскому озеру. 24 августа 1769 года он добрался до Гурьева. Отсюда путешественник сделал небольшую экскурсию в дельту Урала и на каспийское взморье. Здесь он обратил внимание на колебания уровня Каспийского моря в зависимости от климатических условий.
31 августа экспедиция Палласа оставляет Гурьев и возвращается назад той же дорогой вверх по Уралу. Не доезжая до Оренбурга, у крепости Чернореченской он свернул на Каргалу, проехал Сакмарский городок, Имангулово на Салмыше, Тугустемир, Стерлитамак и проследовал далее до Уфы. Зиму 1769–1770 года Паллас провел в Башкирии. В феврале 1770 года он посылает из Уфы студента Никиту Соколова с чучельщиком "весновать" в Гурьев для изучения яицких степей и каспийского рыболовства. Соколов собрал много дополнительных сведений о природе прикаспийского края, побывал в Рын-песках и привез Палласу в Челябинск множество интересных растений и животных, среди которых были еще не известные науке виды.
На пути в Челябинск экспедиция Палласа впервые пересекла горы Южного Урала примерно по параллели 55° северной широты. Обобщая свои наблюдения в Уральских горах, Паллас затем создал свою теорию образования горных хребтов. Он впервые обратил внимание на меридиональную зональность в строении Урала.
В 1771–1772 годах Паллас вместе со своими спутниками путешествует по Западной Сибири, Алтаю и доходит до Забайкалья. Весной 1773 года, совершая обратный путь, он вновь оказывается в бассейне Урала.
10 мая Паллас обследует местность у речки Иртек, протекающей по Общему Сырту и впадающей в Урал против села Бурлин Уральской области. "По ту сторону Иртека, — пишет Паллас, — степь вдруг переменяется в сухую, голую и исполненную полынью покрытыми солончаками"(5).
С берегов Иртека Паллас направляется вниз по Уралу через Январцевский форпост (ныне с. Январцево Уральской области) в город Уральск. Из Уральска он посылает в Индерские горы студента В. Зуева.
24 мая 1773 года экспедиция Палласа двинулась в степь на юго-запад от реки Урал через низовья Кушума к Камыш-Самарским озерам. В результате были получены первые достоверные сведения о Кушуме и особенностях его гидрологического режима.
После Кушума экспедиция Палласа пересекает Рын-пески и 8 июня достигает берегов Волги у Ахтубы. Путешествия вдоль Волги приводят ученого к окончательным выводам об естественноисторическом развитии края, которые он подробно излагает в своем путевом дневнике под заголовком "Древние берега Каспийского моря"(6).
Летом 1774 года, собрав богатейший географический материал, Паллас вернулся в Петербург.
Последующие 20 лет Паллас живет в российской столице. Результаты экспедиции были им опубликованы в трехтомном труде "Путешествия по разным провинциям Российского государства", изданном в 1773–1778 годах. Во время экспедиций путешественник собрал обширные естественноисторические коллекции, составившие основу музеев Петербургской Академии наук и Берлинского университета.
Паллас открыл и описал много новых видов млекопитающих, птиц, рыб, насекомых. Исследовал останки буйвола, волосатого носорога и мамонта, обитавших в доледниковый период в северных широтах Евразии. Ему принадлежит фундаментальный труд "Флора России".
Благодаря своим трудам Паллас достиг большого научного авторитета, материального достатка и высокого чина статского советника. Но он мечтает уехать из Петербурга поближе к богатой природе южных широт и весной 1794 года переезжает вместе с семьей в Крым. Здесь он прожил около 15 лет и завершил работу над капитальным трудом "Российско-Азиатская зоогеография", изучал флору, фауну, геологию, историю и хозяйство Крымского полуострова.