Наряду с проведением на Каспии российскими моряками гидрографических исследований началось изучение Прикаспийского региона натуралистами, направляемыми российскими властями, а затем и Петербургской Академией наук. Одним из первых натуралистов на берегах Каспия был доктор Готлиб Шобер(1670—1739 гг.), совершивший в 1717 г. большое путешествие по Прикаспийскому Кавказу.
А начало путешествия натуралиста Иоганна Густава Гербера в 1722—1723 гг. было связано с Персидским походом Петра I. Итогом этого путешествия явилось сочинение И.Г. Гербера «Известие о находящихся с западной стороны Каспийского моря между Астраханью и рекою Курою народах и землях», напечатанное в «Сочинениях и переводах» за 1760 г. Карга этих земель, составленная И.Г. Гербером, была издана Географическим департаментом Петербургской Академии наук в 1736 г.
В сочинении Гербера указывалось на высокий уровень Каспия в 30-е годы XVIII в. (суда подходили прямо к крепостным стенам Баку, омываемым морем). О высоком уровне Каспия упоминает доктор Иоанн Якоб Лерхе, посетивший западные берега моря во время двухкратного путешествия в Персию в 1733—1735 гг. и 1745—1747 гг. В его «Выписках из путешествия в Персию» говорится, что нижняя часть городской стены Баку находится в воде. Он первый обратил внимание на местное предание о 30-летней периодичности колебаний уровня Каспия. Впоследствии эту точку зрения разделял известный натуралист, академик Петербургской Академии наук Петр Симон Паллас.
Первые систематизированные научные описания Каспия и его прибрежных областей даны в трудах натуралистов — участников экспедиций, организованных Петербургской Академией наук в начальный период эпохи Екатерины II в 1768—1774 гг. Эти экспедиции проводились в ходе реализации большой программы изучения России, одобренной новой императрицей Екатериной II.
В 1758 г. к руководству Географическим департаментом Петербургской Академии наук пришел академик Михаил Васильевич Ломоносов. Именно он направил всю деятельность департамента на организацию всестороннею географического изучения необъятных просторов России, включая сбор сведений о фауне и флоре, реках и горах, озерах и окраинных морях, на выявление богатства недр, на изучение состояния сельского хозяйства, промышленности и торговли, а также всех сторон жизни и культуры населяющих ее народов.
Ломоносов ратовал за организацию целого ряда академических экспедиций, которые предполагалось направить в различные регионы страны. В 1760 г. он представил «Мнение о посылке астрономов и геодезистов в нужнейшие места России для определения долготы и широты», где изложил соображения о необходимости всестороннего географического изучения страны:
Стремление Ломоносова организовать географическое изучение просторов России нашло активную поддержку в лице занявшей в 1762 г. российский престол императрицы Екатерины И. После кончины М. В. Ломоносова в 1765 г. императрица поддержала деятельность по организации экспедиции нового руководителя Географического департамента Академии наук академика С. Я. Румовского.
Важнейшие результаты по изучению прикаспийских регионов России были достигнуты Оренбургским отрядом экспедиции Академии наук, который возглавлял академик Петр Симон Паллас. Во время путешествий 1769—1770, 1773 и 1793 гг. он побывал в районах Нижнего Поволжья и Заволжья, в дельте Волги, устьях Урала и Эмбы, в Кумо-Манычской степи. Неоднократно Паллас посетил северные берега Каспия.
Он заинтересовался проблемой колебания уровня Каспия и пришел к выводу, что положение уровня моря связано с количеством приносимой реками воды, которое в свою очередь зависит от «бываемой в разные годы погоды», в частности, от количества выпадающего снега и температуры воздуха в районах бассейнов впадающих в море рек. Им также правильно была отмечена значительная роль ветровых нагонов и стонов воды в колебаниях уровня Северного Каспия.
Паллас довольно верно принимал разность уровней Каспия и Черного моря равной 10 саженям (21,3 м), хотя целый ряд позднейших авторов получал гораздо большие числа.