Весною 1832 года Григорий Карелин отправился для исследования северо-восточных берегов Каспийского моря. Под его начальством состояло 170 уральских казаков-мореходов на четырех судах. Эта экспедиция вполне оправдала себя. Карелин составил двенадцать карт и написал восемь трудов. Он сделал ценные наблюдения за обмелением устьев Урала, описал тюлений промысел на Каспии, исследовал Индерское соляное озеро и подъем на огромное плоскогорье Устюрт.
Карелин отыскал утес Кызыл-Таш в Туманных горах и высчитал, что от этого места до владений Хивы было лишь шесть дней пути. 18 мая 1834 года путешественник поднял русский флаг над каменными бастионами крепости Ново-Александровск, заложенной им на венце Кызыл-Таша, у берега обширного залива с прекрасным рейдом. Русские тогда же отправились в Хиву, завели торговые сношения с хивинцами.
Неутомимый человек в очках продолжал изучать Каспий. Карелин проходил в барханы Туркмении, исследовал древнее русло Амударьи, достигал Астрабадского залива в пределах Ирана, где любовался индийскими деревьями в садах шаха Аббаса Великого. Карелин и его спутники были первыми русскими людьми, проникшими на мертвые берега залива Кара-Богаз-Гол.
«…В 1841 году осматривал снежный хребет Ала-тау и так называемый Семиреченский край», — скромно упоминал Григорий Карелин в перечне своих трудов.
Работам 1841 года предшествовали исследования Нарымских гор и хребта Тарбагатай, куда Карелин пришел через Аягуз. Верным спутником Карелина был студент И. П. Кирилов, потомок знаменитого географа при Петре Великом. Путешественники, переправившись через реку Нарым, вступили в пределы Западного Китая. Иван Кирилов был послан для обследования озера Зайсан и Черного Иртыша. По течению этой реки он тоже проник в Китай и через некоторое время соединился с главным отрядом. Во второй раз И. Кирилов прошел в Китай через Кокпекты и достиг окрестностей города Чугучака. Дальнейшие исследования 1840 года протекали на землях Казахстана: близ Риддерского рудника, Усть-Каменогорска, Зыряновска, Бухтармы, в Каркаралинском округе.
В семиреченский поход Карелин и Кирилов отправились из Оренбурга в марте 1841 года. В мае они были в Аягузе, а июнь застал путешественников на Лепсе.
«…Красоты Алатауского хребта поражают величием, бесчисленные источники свергаются оттуда истинными водопадами. То, чему удивляются в известном финляндском водоскате Иматра на протяжении полутораста сажен, повторяется на алатауских реках Саркане и Коксу на пространстве 20 верст», — писал Карелин о Семиречье. Он составил карту Семиреченского края, собрал образцы 1600 видов растений, шкуры 1300 видов животных и птиц, 10 тысяч насекомых. Таких сборов не знала ни одна экспедиция того времени. Карелин установил рудоносность Тарбагатая, указал на золотые россыпи гор Алтын-Эмель. Прииски Алтын-Эмеля Карелин нанес на карту. В 1843 году он побывал на озере Маркаколь, затем снова в Бухтарме и в Усть-Каменогорске.
Исследователь собрал также богатые сведения о Западном Китае.
Есть свидетельства, что и в 1844 году Карелин продолжал свои работы в Алатау, посетил берега Сарысу.
Загадочная смерть Ивана Кирилова в Арзамасе и исчезновение дневников похода 1840–1841 годов тяжело отразились на душевном состоянии Карелина.
В 1845 году Карелин был выслан из Семипалатинска. Если когда-то Аракчеев отправил его на фельдъегерской тройке в Оренбург и тем невольно приблизил юного офицера к наукам, то много лет спустя сибирский генерал-губернатор князь Горчаков мерами полицейского порядка выдворил заслуженного ученого из своих владений. Горчаков, которому Карелин почему-то пришелся не по нраву, преследовал путешественника два года подряд, вскрывал его переписку, отправлял в Петербург ложные доносы, пока не добился своего — высылки Карелина в… Москву.
Семь лет провел Карелин в Москве и Подмосковье, а в 1852 году собрался в свою последнюю поездку в Гурьев. При отъезде он сдал на хранение в кладовые при храме Христа Спасителя в Москве свои богатейшие коллекции, в том числе образцы полезных ископаемых Азии. В минералогическом собрании находились 180 образцов золотых самородков, в числе которых, может быть, были и самородки Алтын-Эмеля, о которых не раз упоминал путешественник. Родным он сказал, что покидает их лишь на полгода. Но проходил год за годом, а гурьевский отшельник не появлялся в кругу своей семьи, к которой он был всегда горячо привязан. Тем временем или несколько позднее случилось новое несчастье — исчезли все коллекции Карелина, сданные им на хранение.
Так сложилась судьба одного из самых замечательных исследователей Русской Азии, предшественника Семенова-Тян-Шанского, Северцова и Пржевальского. Таких научных накоплений, какие делал Карелин, до него, пожалуй, не производил еще никто.
