Весной 1848 г. в Оренбурге Бутаков построил плоскодонную шхуну «Константин», переправил ее в разобранном виде к Аральскому укреплению (Аральск) и там собрал. Летом и осенью 1848 г. он описал берега моря, за исключением восточного, открыл у 45° с.ш. группу «Царских островов» (теперь Возрождения, Комсомольский, Константин), обнаружил колебание уровня Арала. Из-за сильных штормов в начале октября съемку пришлось прекратить. «Ветры [на Арале] крепчают вдруг, разводят огромное волнение и потом, стихнув… оставляют после себя несносную зыбь… Аральское море принадлежит к числу самых бурливых и беспокойных».

Экспедиция зимовала на острове у устья Сырдарьи; для Шевченко эта зимовка была исключительно плодотворной. Летом 1849 г. Бутаков продолжил опись Арала: заснял восточный берег, сделал промеры глубин, завершил съемку наиболее крупных заливов — Паскевича (ныне — Шевченко), Тущибас, а также полуостровов Каратуп и Куланды, впервые нанес на карту залив Чернышева и небольшие острова Толмачева, Беллинсгаузена и Лазарева. Работе вновь мешали штормы и жара: «Летом… жары нестерпимые, без дождей и воздух очищается только господствующими ветрами… В море эти ветры делают плавание весьма трудным: часто подвергали они нас крайней опасности… и вынуждали к рискам, нередко выходившим из пределов благоразумия». В начале октября первая опись Арала была закончена.

Зимой 1849/50 г., перебравшись в Оренбург, Бутаков составил первую сравнительно точную карту Аральского моря. Шевченко создал альбом акварельных видов моря; «почти все названия, встречающиеся в отчетах экспедиции, отмечены специальным рисунком Шевченко» (М. Шагинян). Материалы экспедиции и альбом были направлены царю. «Награда» не заставила себя ждать: Шевченко сослали на Мангышлак, а Бутакову объявили строгий выговор, запретили публикацию результатов съемки и установили негласный надзор полиции. В 1852 г. Бутаков организовал первое пароходство на Арале. Его «Дневные записки плавания…», откуда мы приводили цитаты, полностью увидели свет лишь в 1952 г. — через 83 года после смерти первого исследователя Аральского моря.

До 50-х гг. XIX в. очертания озера Балхаш наносились на карты по расспросным данным. Для его съемки была организована экспедиция Т.Ф. Нифантьева. В осенние месяцы 1852–1853 гг. с двумя помощниками-топографами, под прикрытием крупного отряда казаков он заснял все побережье озера, впервые определив его положение, размеры (около 22 тыс. км², по последним данным, 18,3 тыс. км²) и форму. На лодке Нифантьев прошел по Балхашу, описал небольшие острова, выполнил ряд промеров и выяснил возможность плавания по нему небольших судов.

Позднее Нифантьев собрал и систематизировал отдельные факты о природе Центрального Тянь-Шаня, доставленные русскими купцами, путешественниками и военными. Дополнив эти данные собственными материалами, он создал общегеографический труд «Сведения о дикокаменных киргизах», оставшийся в рукописи. Тянь-Шань, по Нифантьеву, «лишен» мифического меридионального Болора и является сложной системой хребтов; среди них он выделил три главных — Киргизский, Кюнгей-Ала-Тоо и «Теректи-Даван» (Какшаал-Тоо?); он первый охарактеризовал тянь-шаньские высокогорные плато (сырты); ему принадлежит первое правильное описание истоков Чу, образующейся слиянием Кочкор и Джоон-Арык, и Сырдарьи (составляющие Нарын и Карадарья); он описал также озеро Иссык-Куль и составил карту этой акватории. В 1859 г. Нифантьев выполнил съемку территории между озером Балхаш и хребтом Джунгарский Алатау от р. Каратал до границы с Китаем, а в 1862–1863 гг. нанес на сравнительно точную карту озеро Зайсан (1800 км²).

Спустя полвека после работ А. Бутакова комплексное исследование Аральского моря провел географ и ихтиолог Лев Семенович Берг. В 1900—1902 гг., работая без помощников, он обошел — сначала на лодке, а затем на парусной яхте — почти весь Арал и пересек озеро в нескольких направлениях. Берг описал морфологию побережья, выделив ровные (западные), лопастные (северные) и бухтовые (восточные) берега, охарактеризовал климат, гидрологию и течения, выполнил ряд промеров и в самых глубоких частях Арала обнаружил наличие сероводорода. Уточнив в нескольких местах карту А. Бутакова, Берг определил площадь моря с островами в 64,5 тыс. км², что полностью соответствует нынешним данным. В 1908 г. он опубликовал монографию «Аральское море», сохранившую научное значение до наших дней. В частности, Берг доказал ошибочность представлений о соединении Арала с Балхашом в четвертичный период, о связи Аральского и Каспийского морей в историческую эпоху, о временном исчезновении Арала в XIII-XV вв.

Карта Балхаша, выполненная Т. Нифантьевым, опиралась всего лишь на один астрономический пункт. И Туркестанский отдел Русского географического общества решил произвести новую съемку озера. Летом 1903 г. туда был направлен небольшой отряд, к которому присоединился Л. Берг. Военные топографы А.Н. Картыков и Л.Е. Иванов засняли всю береговую линию озера, а военный геодезист Петр Карлович Залесский произвел определения 31 астропункта. В результате удалось внести значительные исправления в положение и очертания озера; «в деталях старая карта оказалась совершенно неверной» — так Л. Берг охарактеризовал работу топографов. Как выяснил Л. Берг, дно водоема очень ровное, в западной (11 м) части вода пресная, в восточной (до 20 м — по Т. Нифантьеву) — солоноватая. Эта особенность позволила Бергу назвать Балхаш географическим парадоксом: ведь он расположен в зоне сухого климата и не имеет стока. Берг опроверг также представления об усыхании озера. Напротив, оно начало прибывать в конце XIX в.

Первым европейским ученым-исследователем, проникшим в Центральный Тянь-Шань, был Петр Петрович Семенов, за свой научный подвиг получивший право именоваться Тян-Шанским. Еще в 1853 г., работая над дополнениями к «Землеведению» Карла Риттера, Семенов решил посетить загадочный и запретный для европейцев Тянь-Шань. Российское министерство иностранных дел ревниво оберегало азиатские страны «от вторжения географической науки», и Семенов с трудом получил разрешение побывать на Алтае и в «Киргизскихстепях» (Казахстан).

В 1856 г. из Семипалатинска Семенов добрался до Балхаша, который со своей «отсохшей оконечностью — озером Ала-Кулем [Ала-коль] — отделяет системы центрально-азиатских хребтов от однообразной Киргизской степи». К юго-востоку от Балхаша он увидел исследованную А. Шренком «ослепительно блестящую… вечными снегами», простирающуюся на юго-запад цепь высоких гор и назвал ее Джунгарским Алатау. За этим хребтом начиналась «низкая и жаркая» долина р. Или. Миновав ее, он достиг города Верного (теперь Алма-Ата).

В сентябре — октябре Семенов совершил два маршрута к озеру Иссык-Куль. Первый пролегал через восточную часть хребта, «круто… как исполинская стена» поднимавшегося к югу от города. Это был Заилийский Алатау (название дано Семеновым). Поднявшись на хребет примерно у 77°40' в.д., он увидел на юге межгорную котловину бассейна р. Чилика (приток Или) с несколькими параллельными кряжами; с огромной высоты перевала они «имели вид огромных грядок». Он спустился с хребта на юго-восток, в долину Чилика, и, перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, через широкую степную долину рек Тюп и Джергалан вышел к озеру. «С юга весь… синий бассейн Иссык-Куля… замкнут непрерывной цепью снежных исполинов». Это был «заветный Тянь-Шань» — хребет Терскей-Ала-Тоо: «Снежные вершины [его] казались прямо выходящими из темно-синих вод озера». Тем же путем Семенов вернулся в Верный. Через несколько дней он выехал на запад, пересек Заилийский Алатау у 76° в.д. и за р. Чу на юго-западе увидел очень высокий горный хребет (Киргизский). Поднявшись по долине Чу через дикое и мрачное Боамское ущелье, Семенов вышел к северо-западному берегу Иссык-Куля; этот маршрут позволил ему опровергнуть упорные слухи, что озеро служит истоком Чу. От Иссык-Куля Семенов поднялся на Кюнгей-Ала-Тоо, пересек долину правого притока Чу и на обратном пути к Верному перевалил Заилийский Алатау в самой высокой части (у 76°50' в.д.). При спуске с перевала ему и его спутникам «пришлось очень забавно и довольно безопасно скатываться по снегу со своими лошадьми».