Потанин вместе со спутниками прибыл в Батавию на русском фрегате "Минин". Большой переход из Кронштадта через Индийский океан успешно закончился на острове Ява. Фрегат ушел, а Потанин остался дожидаться корвета "Скобелев", который и должен доставить экспедицию в китайский порт Чифу.
Первого апреля 1884 года русская экспедиция высадилась на китайскую землю. Через два месяца, закончив полное снаряжение, наняв ходких лошадей и выносливых мулов, путешественники вышли из Пекина и двинулись по Императорской дороге через Великую Китайскую равнину. Дорога вела мимо небольших селений и оживленных городов, мимо караванов, мимо бесчисленных нищих, тянувших навстречу руки, вымаливая подаяние.
Через семь дней пути Потанин повернул караван на запад и вскоре достиг ответвления Великой Китайской стены, построенной еще в 211 году до нашей эры. Потом за спиной путников остались старинные монастыри с живописными кумирнями, большой древний город Кукухото, Хуанхэ. Они вышли в долину Ордос, лежащую в ее гигантской излучине.
Весной 1885 года путешественники перебрались в Синин, двинулись на юг и через горную безлесную область верхнего течения реки Хуанхэ, юго-восточные отроги Куньлуня и восточные склоны Сино-Тибетских гор достигли верховьев реки Миньцзяна (северный большой приток Янцзы). Проследовав оттуда на восток около 150 километров, они повернули на север и через горные цепи системы Циньлин вернулись в Ланьчжоу, где снова зимовали. В результате этого двойного пересечения "Тангутско-Тибетской окраины" Китая Потанин подразделил ее на две части: северная представляет собой нагорье высотой более 3000 метров с редкими хребтами и неглубоко врезанными речными долинами; южная характеризуется сложным горным рельефом с глубокими речными долинами.
В апреле 1886 года экспедиция прошла на запад к озеру Кукунор, повернула оттуда на север и, перевалив несколько безымянных хребтов, добралась к истокам реки Жошуй, точно ею установленным. При этом Потанин и Скасси обнаружили первую цепь системы Наньшаня, строение которой оказалось более сложным, чем показывал Пржевальский. Проследив все течение Жошуя до низовьев (около 900 километров), они вышли к бессточному озеру Гашун-Нур и точно нанесли его на карту. Двигаясь далее на север через Гоби, экспедиция при пересечении Гобийского Алтая выявила четыре его южных невысоких отрога широтного направления (в том числе Тост-Ула), исправив карту Певцова. Потанин так охарактеризовал пересеченную им полосу Гоби: южная часть представляет собой плоскую возвышенность с низкими хребтами, центральная - пустынную впадину не более 900 метров; северная - невысокую горную страну, продолжение Монгольского Алтая. От озера Орог-Нур экспедиция прошла на север по долине реки Туйн-Гол до ее верховьев, перевалила хребет Хангай и, повернув на северо-восток, через бассейн реки Орхон вышла к Кяхте в начале ноября 1886 года. При этом был нанесен на карту водораздел Селенги и Орхона - хребет Бурэннуру - и ряд небольших отрогов Хангая.
Экспедиция Потанина пересекла Центральную Азию приблизительно по 101-му меридиану, причем горные цепи были пройдены поперек их основного направления, из-за чего не удалось установить длину и простирание отдельных хребтов. Результаты экспедиции описаны в работе "Тангутско-Тибетская окраина Китая и Центральная Монголия" (1893).
Монгольские экспедиции сделали Потанина известным. Его отчеты, изданные в Петербурге Географическим обществом, представляли собой четырехтомный объемистый труд, поражавший обилием собранного материала и его разнообразием. Автор - исследователь, соединивший в себе несколько разных научных школ: он и ботаник, и геолог, и этнограф. Он же историк и экономист, зоолог, картограф. Данные, им полученные, позволили уточнить старые карты, закрасить на них "белые пятна", проставить высоты, соответствующие истинным, прояснить географические координаты многих пунктов. Ценнейший научный материал представляли коллекции - гербарии, собрания млекопитающих, рыб, птиц, моллюсков, пресмыкающихся, насекомых.
Потанин впервые описал несколько народностей, ранее вовсе неизвестных или известных только понаслышке. Два отдельных тома включали народные легенды, сказки, эпосы - все, что удалось услышать из народного устного творчества, было подробно записано и стало достоянием науки.
Поселившись в Иркутске, Григорий Николаевич вступил в должность правителя дел Восточно-Сибирского отдела Географического общества. Позже Потанины перебрались в Петербург.
Вскоре последовала новая экспедиция: в восточные окраины Тибета и китайскую провинцию Сычуань. Она началась в Кяхте осенью 1892 года.
В Пекине врач русского посольства, осмотрев Александру Викторовну Потанину, посоветовал ей оставить всякие мысли о возможности дальнейшего путешествия. Однако женщина все же продолжила путешествие.
