Летом 1857 года Семенов во главе большого отряда вышел из Верного. На этот раз его спутником был художник Павел Михайлович Кошаров - учитель рисования Томской гимназии. Он прошел по северному склону Заилийского Алатау на восток до реки Чилик; через параллельные кряжи Согеты и Тораигыр и заключенное между ними "сухое, безводное и... бесплодное плоскогорье" достиг верхнего течения Чарына, притока Или. С узкого гребня Тораигыра на юго-востоке Семенов первым из европейцев увидел величественный Хан-Тенгри. Перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, он прошел на юг к северным склонам Терскей-Ала-Тоо. В один из вечеров, остановившись на ночевку, Семенов насладился чудесной панорамой:
Поднявшись на перевал в Терскей-Ала-Тоо, он увидел на юге реки Нарын -
На этот раз Семенову выделили для охраны казачий конвой в пятьдесят сабель, и, кроме того, к нему должен был примкнуть Тезек - султан Большой орды со своим отрядом в полторы тысячи человек. С такими силами можно было рассчитывать на успех предприятия.
Вместе с Кошаровым Семенов обследовал предгорья Заилийского Алатау, в Алма-атинской долине открыл новую породу клена, родственную гималайской, которую потом так и назвали - "кленом Семенова", перешел реку Талгар, поднялся на вершину горы - до высоты почти в три тысячи метров и, стоя над облаками, в восхищении замер. Перед ними снова возвышались Небесные горы... Дорога в глубь Тянь-Шаня неожиданно оказалась открытой. Сарыбагиши, узнав о приближении сильного отряда, отошли на реку Чу, освободив захваченные у богинцев пастбища. Тезек настаивал на продолжении похода, чтобы свести счеты с сарыбагишами, но Семенову не хотелось вмешиваться в междоусобные распри. Он оставил Тезека охранять кочевья богинцев на берегах Иссык-Куля, а сам вместе с Кошаровым и конвойным отрядом через Заукинский перевал двинулся к истокам Нарына. Эта река, верхняя часть Сырдарьи, давно занимала его воображение. Ведь никто не видел ее истоков, терявшихся где-то в горных озерах. Этот поход едва не стоил ему жизни. Тропа на перевал шла круто, все время по краю пропасти, лошадь Семенова с трудом поднималась, осторожно ступая по ненадежным камням и косясь на трупы лошадей, верблюдов, баранов, попадавшихся едва ли не за каждым поворотом тропы. Внезапно она вскинулась, Семенов чудом успел высвободить ноги из стремян и ухватиться за нависающий камень скалы, как лошадь исчезла в пропасти. Подъехал Кошаров, помог спуститься Семенову. Оба молча смотрели на труп богинца, которого испугалась лошадь...
Спустившись с перевала, они прошли по равнине и приблизились к трем озерам, дававшим исток небольшим речкам, сливавшимся неподалеку в единое русло Нарын. Он нес свои воды на юго-восток. Но лошади были измучены, и, проблуждав часа два меж истоков Нарына, Семенов принимает решение пуститься в обратный путь.