Весной 1769 г. Лепехин прошел из Симбирска по нагорному берегу Волги на юг и обследовал Белые горы — часть Приволжской возвышенности. От Самарской Луки он доехал до Ахтубы и двинулся к устью Яика через Рын-пески: «Глазам нашим представлялась… пустыня… Самая большая отменность [особенность] этой степи состоит в изобилии соли…» Ее Лепехин находил не только в многочисленных мелких озерах и почве — роса «столь же была солона». За песками пошла другая степь, «весьма ровная, однако безводная». Через Яицкий городок Лепехин проехал в Оренбург, где из-за болезни задержался на полтора месяца. Лишь в октябре он прошел на север до 54° с.ш. и зимовал в городке на р. Белой.

Весной 1770 г. Лепехин поднялся по Белой и в районе Ишимбая исследовал нефтяной источник — первенец уральской нефти; он изучил также ряд пещер в долине реки. В колене Белой на обоих берегах «…разновидные гор утесы… представляли местами как бы древних городов развалины…». Лепехин кратко описал короткие хребты Южного Урала близ 54° с.ш., в том числе Ямантау: «…верх горы составляют болота и большие лужи». Отсюда берут начало «немалые уральские реки», в том числе Юрюзань и Инзер. Далее, к северо-востоку, он изучил «славную в Башкирии Иремель» (1582 м), на которую поднялся. «Хребет… представляет обширную и ровную площадь: [с запада]… омывается он водами… Юрюзани, на востоке соединяется с хребтом Аваляк, [верх его] также болотист и покрыт лесом». Здесь берут начало Белая и Ай.

Затем Лепехин описал истоки Яика (гора Круглая, 1020 м) и рек Уйя и Миасса. Вдоль восточного склона Уралтау и цепи зауральских озер он прошел на север до Екатеринбурга, повернул на запад до Кунгура, а близ 58° в.д. — на юг и добрался до Юрюзани У 55° с.ш. В этом районе он описал много рудников; охарактеризовал ряд хребтов, в том числе Зигальга и Уреньга, отметив, что многие уральские вершины сильно заболочены. Через Златоуст он вернулся в Екатеринбург. За лето он трижды пересек Урал.

Зимовал Лепехин в Тюмени. Весной 1771 г. он направил в Архангельск своего спутника, студента академии Николая Яковлевича Озерецковского, для изучения «птиц, рыб и прочих Белого моря продуктов», сам же к лету доехал до р. Туры и перешел на р. Лялю (система Тавды). «От реки Ляли… вздымались холмы и гребни, хребты… покрывались густыми борами». Он описал несколько вершин, в том числе Конжаковский Камень (1569 а, теперь считающийся началом Северного Урала), и верно подметил, что севернее 59-й параллели Урал вновь сильно повышается и тянется в виде непрерывной цепи. Перейдя к р. Яйве, левому притоку Камы, он достиг Соликамска и, таким образом, в четвертый раз пересек Урал.

Оттуда Лепехин проехал на запад до верхней Вятки и устья ее притока Летки (у 50° в.д.), по долине которой поднялся к верховью, пересек Северные Увалы и через волок достиг верховьев Лузы, нижнего притока Юга: «…Немалые [здесь]… были возвышения. Холмы… глубокими разделены долинами, в которых весенние воды глубокие поделали овраги… Места на этом волоку были топкие». На лошадях по тракту Лепехин добрался до устья Сысолы и по Вычегде и Северной Двине спустился до Архангельска, где зимовал.

Между тем Озерецковский летом 1771 г. обследовал Мурманский берег от устья р. Поной до Кольского залива. «Берега Лапландии… возвышены и во многих местах представляют огромные каменные утесы [пахты]. Горы, подходящие к берегу, безлесны, изрезаны множеством искривленных долин». От залива Озерецковский двинулся прямо на юг, вдоль р. Колы, через четыре озера, в том числе Имандру, достиг вершины Кандалакшской губы и таким образом пересек Кольский п-ов у его основания.

Летом 1772 г. Лепехин на баркасе осмотрел о. Мудьюгский у Зимнего берега Белого моря: «Пространство между… островом и матерым берегом называется Сухим морем. Сам остров… плоек, песчан и окружен мелью». Затем он обошел Летний берег, описал три Соловецких острова, основное внимание уделив рельефу главного острова, и вдоль Карельского берега добрался до вершины Кандалакшской губы. Оттуда он поднялся к озеру Имандра по р. Ниве, отметив по ее левому берегу «горы» (возвышенность до 785 м). Вернувшись к морю, Лепехин вдоль Кандалакшского и Терского берегов перешел к устью Поноя, где сомкнул свою опись с работой Озерецковского. Так в результате их совместного труда было обследовано все побережье Кольского п-ова — более 1100 км.

Затем Лепехин пересек Горло Белого моря и у входа в Мезенскую губу описал о. Моржовец. Двигаясь вдоль Абрамовского и Кунушинского берегов, он обследовал Кулойскую губу, устье Мезени и достиг устья р. Неси (у 66°39' с.ш.). От ее истоков он перешел на р. Вижас и спустился ее берегом до Чешской губы, совершив пересечение Канинской тундры, «перемерив топкую пустыню ногами». Здесь ему помогли ненцы, и на оленях он проследил западный и северный берег Чешской губы до мыса Микулкина, восточной оконечности Канина. Озерецковский же обследовал южный и восточный берег Чешской губы и примыкающую к ней на северо-востоке Индигскую губу до тиманского Святого Носа (67°54' с.ш.). Морозы вынудили Лепехина повернуть на юг. Он пересек Канин по Чёше и Чиже и прибыл в Архангельск в октябре 1772 г. Канин он называл островом, но делал это скорее всего по традиции: из его донесений ясно видно, что «от матерой земли» Канин отделен не проливом, а реками. «Небольшие ручейки от вершин Чижи, соединяющиеся с Чёшей, часто совсем высыхают и проезд [лодкой] по сему отделению [волоку] делают невозможным». И все-таки миф об «острове» Канин удержался до XX в. Лепехин был первым ученым-исследователем Северо-Восточной Европы. К сожалению, о его путешествиях по Крайнему Северу до нас дошли только краткие рапорты.

Из экспедиции Лепехин привез большие зоологические и ботанические коллекции; он открыл несколько новых видов животных и растений. А всего в своих «Дневных записках» он упоминает около 600 видов растений и более 300 видов животных, часть их описана очень подробно. Он собрал также большой фактический материал по этнографии народов Поволжья (марийцев, мордвы и татар) и Урала (башкир, коми и манси). В сборе коллекций и этнографического материала большую помощь ему оказал Озерецковский.

В 1770 г. из Пруссии в Россию был приглашен доктор медицины Иван Иванович (Иоганн Готлиб) Георги, назначенный в помощь Фальку, позднее русский академик. Весной 1771 г. Георги обследовал рудники и заводы Южного Урала, а с августа 1771 г. по май 1773 г. работал в Восточной Сибири (см. гл. 11). На Урал он вернулся, поднявшись от Тобола вверх по Исети, которую проследил всю до истоков. Летом 1773 г. он обследовал рудники и заводы Среднего Урала, с верховьев Чусовой спустился до устья, описывая ее берега, и прошел около 800 км на юг до Оренбурга по западному склону Урала. В сентябре от Яицкого городка он выполнил маршрут через западную часть Общего Сырта — к верховьям Узеней, повернул оттуда на север к Большому Иргизу, притоку Волги, и по ней спустился в Астрахань.

В феврале — марте 1774 г. Георги по берегу Волги поднялся в Казань, где в последний раз встретился с Фальком. После его смерти Георги по Волге добрался до Ярославля. Боковым маршрутом он проследил большую часть р. Унжи и описал Чухломское озеро. В том же районе, в истоках Костромы (у 59° с.ш.), Георги отметил небольшие возвышенности, с которых берут начало также правые верхние притоки Сухоны. Он высказал мнение, позднее подтвердившееся, что от Камы до истоков Костромы протягивается невысокий, частью холмистый увал. С Сухоны Георги двинулся на юг, описал Галичское озеро. «Местность [южнее] становится более открытой, волнистой, частью холмистой». Он пересек эту Галичско-Чухломскую равнину — междуречье Унжи и Костромы — и вернулся на Волгу. Описав озеро Неро (Ростовское) и Плещееве (Переяславское), он вернулся в Петербург к осени 1774 г.