«Я не обманывал себя, — писал Чихачев, — мне предстояло чрезвычайно трудное путешествие в пустынные места для исследования верховий Чуй и Чулышмана. Дело в том, что после исследования верховий двух названных рек я намеревался отправиться на поиски истоков Абакана. Мне предстояло пересечь настоящую terra incognita, размеры которой я еще не мог определить и по которой до сих пор не ступала нога не только европейца, но, возможно, и человека вообще».
Чихачев разделил экспедицию на два отряда. Больший по численности он отправил на север через Курайский хребет к реке Башкаус, а сам с оставшимися людьми пересек в юго-восточном направлении «степь, покрытую черными валунами, придававшими ей вид пожарища», и добрался до почти широтного пограничного хребта Сайлюгем (длина 130 километров, вершины до 3 500 метров), образующего «южную кромку плато Чуй». Чихачев верно определил, что Сайлюгем представляет собой природную завесу, отделяющую Русский Алтай от Центральной Азии.
Хотя уже было лето, на плато Чуй «все дышало зимой». Чихачев круто повернул на север, переправился через верховья Чуй и по снегу прошел вдоль протянувшейся с юга на север высокой каменной стены у восточной границы Чуйской степи. Впоследствии она была названа хребтом Чихачева (длина около 100 километров, высоты до 4 000 метров). Хребет «в виде зубчатого гребня, расколотого на пики и иглы, ослепительно сверкающие на солнце», продолжался далее к северу до скованного льдом озера Джулукуль.
Перевалив через горную цепь Сайлюгем, экспедиция 16 июня достигла истоков Чуй, затем прошла к государственной границе России, пересекла ее и вернулась обратно. Далее путь лежал к озеру Джулукуль через болота, простирающиеся между истоками Чуй и Чулышмана. Чихачев установил, что озеро Джулукуль является истоком Чулышмана, впадающего с юга в Телецкое озеро, из которого на севере вытекает Бия. Поднявшись на плоскую вершину у Джулукуля, он обнаружил хребет, протянувшийся к северо-западу вдоль левого берега Чулышмана.
Исследовав исток Чулышмана, Чихачев направился вниз по долине реки Джалду, впадающей в реку Башкаус.
«Мы не могли налюбоваться живописным жизнерадостным видом долины Башкауса, — писал он. — Сквозь ветки хвойных деревьев, напоминающие бахрому, и блестящую листву тополей и берез мелькали многочисленные юрты. Стада коров и быков напоминали мне прекрасный тирольский скот, и я невольно перенесся мыслью в веселые долины Швейцарии. Повсюду расстилаются тучные, изобильные пастбища. Волнистый рельеф и мягкие очертания гор, придающие окрестностям Башкауса разнообразие и приветливость, также способствуют славе долины как одной из самых великолепных на Алтае. Для этих мест характерно, что вершины и склоны гор одеты плотным покровом густых изумрудных хвойных лесов, а нижние районы, часто изощренные глыбами и пересеченные трещинами, украшены бесчисленным множеством ярких растений, среди которых отличалась красотой прелестная роза Гмелина. В первый раз я приветствовал на Алтае царицу цветов и должен отметить, что среди всех роз, которые когда-либо видел, я нигде не встречал ничего подобного».
В долине Башкауса два отряда экспедиции соединились и далее следовали вместе. Спустившись по Башкаусу на несколько десятков километров, Чихачев вновь перевалил горы правобережья реки и спустился в прекрасную долину, орошаемую *censored*TbiMH водами Чулышмана. Люди и кони переправились через реку на плоту, затем руководитель повел экспедицию берегом почти до Телец-кого озера. Подтвердились сведения о том, что по правому берегу реки протянулись крутые горы — Чулышманское нагорье длиной около 150 километров, с вершинами до 3 150 метров. Вблизи долины Чулышмана был обнаружен район залежей железной руды.
Затем экспедиция поднялась вверх по реке Чульче, притоку Чулышмана, и достигла одноименного озера. Пройдя далее, «я был полностью вознагражден, — отметил в записках П. А. Чихачев, — за все перенесенные лишения и труды, когда старый охотник-алтаец, сопровождавший меня, пальцем указал на истоки Абакана, одну из главных целей моей тяжелой миссии. У подошвы северного склона гигантской пирамиды лежит широкое плато, на котором мы увидели два небольших озера, раскинувшихся с северо-востока на юго-запад и соединенных тонкой струйкой воды. Стремясь исчерпывающим образом завершить многотрудные исследования истоков этой прекрасной реки, скромная колыбель которой была мною только что открыта, я теперь должен был изучить ее развитие. Предстояло пройти 350 километров по течению реки до устья ее в Енисее».
Были открыты истоки Большого Абакана, относящегося к бассейну Енисея. За истоками реки путешественники увидели юго-западную часть почти меридионального Абаканского хребта, которая «прячет от глаз Телецкое озеро», а на севере обнаружили истоки Малого Абакана, отделенного от Большого коротким хребтом Карлыган. Так было впервые проведено научное исследование Западного Саяна.
Но движению по долине Абакана препятствовали топкие болота и озера. Чихачев решил не поворачивать обратно, а продвигаться на юго-восток по компасу, чтобы выйти к Енисею и по нему спуститься к устью Абакана. Вот как описал художник Е. Е. Мейер дальнейший путь отряда:
«Мы шли по местам все хуже и хуже прежних, в которых не раз весь караван чуть было не погиб и которые изнурили нас донельзя. Наконец, после этой трехнедельной поездки, мы увидели опять землю сухую. Как радостно забилось сердце, когда мы увидели с гор зеленые луга, когда мы въехали в густой, ароматный лес, где нашли дорожку, по которой следовали. Множество цветов нас манило сойти с лошадей. С радостью спешили мы снять шубы, которые до тех пор почти не снимали. «Это земля Кемчик!» — сказали нам встретившиеся сайоты (местные жители). А как, однако ж, рады были мы этим людям, которые должны были спасти нас от несчастья — умереть с голода и холода или быть жертвами зверей. Не раз заблудившийся барс показывался здесь и оставлял страшные следы».
Отряд простоял пять суток в долине Алаша. За это время начальник экспедиции составил карту совершенно неизведанной местности и собрал сведения о местных жителях. Чихачев первым проник в Урянхайский край (Тува) и выполнил его первое исследование. Затем экспедиция направилась к северу и неожиданно обнаружила горное озеро Кара-Холь (высота 1 463 метров), «спрятавшееся в массах громадных гор». Далее экспедиция вышла к верховьям реки Оны, притока Абакана. По пути Чихачев обнаружил присутствие золота в речных наносах.
Вскоре экспедиция оказалась в долине Абакана, прошла через населенные пункты, где жили староверы и ссыльные, и добралась до деревни Означенной, расположенной на берегу Енисея. Эта местность прилегала к государственной границе, и в казачьих постах Чихачев наблюдал мирные, добрососедские встречи русских и китайских пограничников. Далее 1 августа экспедиция проследовала по правому берегу Енисея через пост Саянск, село Шушенское и добралась до Минусинска. Чихачев обследовал соляные озера вдоль реки и описал производственный процесс по добыче соли. Путешественники спустились на лодках вниз по Енисею до Красноярска. Были исследованы и его окрестности, после чего все направились к Ачинску — через места добычи золота. Из записок Чихачева, сделанных в это время, можно узнать о методах разработок, условиях жизни рабочих на приисках, баснословных доходах золотопромышленников и скромной зарплате рабочих.
Отряд Чихачева поехал в Кузнецк (теперь Новокузнецк) через наиболее развитый в экономическом отношении район Алтая, где работали железоделательные и медеплавильные заводы, предприятия серебро- и золотодобывающей промышленности. Чихачев особо отметил высокое умение, ловкость и сметливость рабочих на многих местных заводах, где все машины и инструменты были местного производства.
Ученый произвел исследование залежей железной руды, описал условия труда и методы разработки рудных жил. Немало времени он уделил изучению районов залегания и определению объема запасов каменного угля. Отдельные выходы угольных пластов были обнаружены в регионе ранее; Чихачев же не только установил наличие каменноугольных пластов в различных районах Алтая, но и определил местоположение огромного угольного бассейна и его размеры. Он составил первую геологическую карту угленосного района, назвав его Кузнецкий каменноугольный бассейн (ныне Кузнецкий угольный бассейн).