Зиму он провёл в Петербурге, обрабатывая полученные материалы, а уже 14 мая 1857 года прибыл в Верное вместе с художником П.М. Кошаровым, учителем рисования Томской гимназии. За две недели был собран отряд из 58 человек (включая казачий конвой), который отправился в самую высокогорную область Тянь-Шаня, к востоку от озера Иссык-Куль.

Семь веков назад прошёл через горы Средней Азии Марко Поло. В книге о своём путешествии он писал: «Много тут больших диких баранов, рога у них в шесть ладоней... Из тех рогов пастухи выделывают чаши, из них и едят». Однако никто не верил ни этим рассказам, ни даже рисунку огромных, завитых спирально рогов, который Поло поместил в своей книге.

Только через шестьсот лет, когда англичанин Вуд нашёл на Памире огромный череп с тяжёлыми, спиральными рогами и выставил его для всеобщего обозрения в Британском музее, учёные поверили в реальность барана, открытого Марко Поло. Ему дали имя — Ovis Polii. Однако Вуду не встретились животные с такими рогами, и поэтому их признали вымершими.

Прошло ещё несколько десятилетий, и от Петра Семёнова с заоблачных высот Тянь-Шаня поступило новое сообщение о загадочном баране. Когда караван русского путешественника проходил по Сарыджазским сыртам, направляясь к Хан-Тенгри, стадо гигантских баранов, подняв целое облако пыли, пронеслось мимо. «Кочкар» — так называли киргизы животное, голова которого была украшена тяжёлыми закрученными рогами. Это как раз «баран Поло»! — решил Семёнов. Его открытие подтвердил Н.А. Северцов, оказавшийся примерно в тех же местах через одиннадцать лет. Ему удалось добыть экземпляр настоящего Ovis Polii, взвесить, измерить, зарисовать. Длина рогов оказалась близкой к двум метрам, а вес — около сорока килограммов.

По долине реки Каркара, притока Или, отряд Семёнова поднялся на гребень горного хребта. С перевала открылась величественная панорама гигантских гор, закованных льдами. Настоящие «небесные горы», «сердце Тянь-Шаня»: больше тридцати вершин, каждая из которых выше Монблана, вонзались в небо. Больше всего поразила Семёнова одна гора, вдвое превышавшая все остальные: белая пирамида Хан-Тенгри, «Властелина Неба». Это название в отличие от китайского «Тянь-Шань» — тюркское, и оно вполне соответствует облику колосса, поднимающегося над всеми Тянь-Шаньскими горами. Его высота над уровнем моря — почти семь километров (без пяти метров).

(Во время Отечественной войны, в 1943 году, советские топографы определили, что есть пик ещё выше, чем Хан-Тенгри, хотя всего лишь на 400 метров. Его назвали пиком Победы).

У подножия великана расположилась равнина сырта, по которой протекала река Сары-Джаз («Жёлтая весна»). Она несла свои воды на восток в загадочную реку Тарим. О ней Семёнову ничего не было известно, потому что европейцы там ещё не бывали. Первым побывает через четверть века Пржевальский, но открыл истоки Тарима Семёнов.

А ещё он стал первооткрывателем грандиозного оледенения Тянь-Шаня. Пять ледников были обнаружены в бассейне реки Сары-Джаз. Один из них, на который удалось подняться, был впоследствии назван ледником Семёнова.

Результаты путешествия Семёнова в Тянь-Шань оказались значительны. Пройдено было 23 горных перевала, собрано 300 образцов горных пород, определена высота местности в 50 точках. Изучены климат, реки, растительность и животный мир большой горной области. Семёнов установил, что Иссык-Куль не имеет стока, открыл истоки Тарима и Сырдарьи (древнего Яксарта).