В Верный экспедиция возвратилась в начале октября. В это время года путешествовать по Тянь-Шаню было невозможно. Зиму 1856–1857 гг. Петр Петрович провел в Барнауле, изучая ботанические и геологические коллекции, а весной вернулся в Верный, чтобы осуществить новое путешествие. Предстояло выйти на южное побережье Иссык-Куля, дойти до северного склона Терскей-Алатау и взойти на один из перевалов.
Вторая экспедиция Семенова отправилась в путь 28 мая 1857 г. На этот раз в ее составе было 58 человек, в т. ч. художник, а также 70 лошадей и 12 верблюдов. Вместе с ними шел отряд одного из султанов Большой Орды Тезек, в котором наcчитывалось 1500 всадников. По наущению Перемышльского, нового начальника Верного, Тезек должен был оказать помощь богинцам, склонявшимся к переходу в русское подданство, против сарыбагишей. Весть о таком большом войске вскоре разнеслась по аулам. Сарыбагиши бежали, и это дало возможность спокойно провести исследования. Отряд Семенова беспрепятственно поднялся на Терскей-Алатау по Заукинскому проходу и добрался до сыртов[23]
Нарына, где было собрано около тридцати видов альпийской растительности. Многие из них были неизвестны науке, в т. ч. альпийский лук, известный сейчас как лук Семенова (Alium Semenovi). Благодаря этому растению китайцы называли эту часть Тянь-Шаня Цу-линь – Луковыми горами.Спуститься к р. Нарын Семенов не решился. Слишком устали и люди, и животные. К тому же на сырты ученый пришел с отрядом всего из шести человек. Основные силы остались в лагере. А бояться было чего: на обратном пути путешественники увидели поляну, усеянную трупами людей и лошадей, вмерзшими в землю. С такими зрелищами путники сталкивались не раз. А однажды лошадь Семенова, испугавшись трупа, чуть не сбросила его в пропасть.
Впрочем, на отряд пока никто не нападал. Только однажды во время небольшой экскурсии Семенову и его сопровождению из 15 человек встретилось 30 барантачей-разбойников. Силы были неравные, и ученый решился на отчаянный поступок. Он кинулся на лошади навстречу врагу. Лошадь внесла его в самый центр вражеского отряда. Вдруг барантачи соскочили с лошадей, положили на землю свои кремневые ружья и сдались в плен. Взяв двух заложников, путешественники благополучно вернулись на базу, взяв с барантачей обещание, что те не будут нападать на бегинцев.
Основной базой отряда Петра Петровича стал аул бегинского манапа (князя) Бурамбая, у которого незадолго до прихода русских и Тезека сарыбагиши увели в плен одну из жен и трех невесток. Кроме того, сарыбагиши вытеснили его из Заукинской долины, где находились пашни и сады манапа. Он надеялся на помощь русских и всячески помогал им. Поэтому когда Семенов высказал желание идти к Хан-Тенгри («Властелину неба»), Бурамбай охотно выделил ему 70 лошадей, 10 верблюдов и 6 проводников.
Поднявшись на Кокджарский перевал, путешественники увидели горный массив Хан-Тенгри и спустились в долину р. Сары-Джас к его подножию, а отсюда произвели ряд радиальных выходов для изучения окрестностей, в т. ч. одного из сарыджасских ледников и истоков р. Сары-Джас.
На обратном пути, посетив долину Текеса и обнаружив там пласты каменного угля и каменноугольные известняки, отряд вернулся на основную базу. Оказалось, что за время их путешествия султан Тезек был захвачен в плен одним из завистников и может быть передан сарыбагишам. Русские бросились на помощь и усмирили врагов Тезека, который к тому времени уже сумел бежать. Следующий выход Семенов сделал на Курментинский перевал и 29 июня 1857 г. вернулся в Верный. Его приключения в горах Тянь-Шаня закончились.
Научные результаты этих двух путешествий, совершенных всего за два летних периода, огромны. По собственным словам Семенова, он «проложил путь со стороны России в глубь Центральной Азии, в совершенно недоступные до тех пор для географической науки недра самой центральной из горных систем азиатского материка – Тянь-Шаня». Кроме того, что он впервые проник на территории, которые европейцами еще не посещались, ученый сумел установить происхождение Тянь-Шаня и его геологический возраст, опровергнуть теории Гумбольдта и Рихтера – непререкаемых научных авторитетов того времени. Он сумел доказать, что снеговая линия в Тянь-Шане в связи с континентальным климатом проходит гораздо выше обычного, на уровне почти 4 тыс. м над уровнем моря. Было установлено, что оз. Иссык-Куль является бессточным. Привезены коллекции растений и минералов.
Петр Петрович и не думал, что этим его путешествия будут закончены. Он считал проделанную работу лишь началом исследований. Однако на организацию следующей экспедиции средств у Русского географического общества не оказалось. Пришлось заняться другими проблемами.
Семенов стал руководить отделом физической географии общества, потом, с 1873 г., почти полстолетия, до самой смерти, возглавлял Географическое общество. Это при его содействии были осуществлены путешествия Пржевальского, Потанина, Северцева, Грум-Гржимайло, Певцова, Козлова и др.