27-летний петербургский академик, натуралист Петр Симон Паллас, родом из Берлина, был назначен начальником первой Оренбургской физической экспедиции. Летом 1768 г. на пути в Оренбург он описал большую часть течения Клязьмы и обратил внимание на приподнятость обоих берегов реки под Владимиром, особенно к югу от него (Высокоречье). От Владимира Паллас прошел «через прекрасные леса» на юго-юго-восток к Касимову, затем вдоль левого берега Оки до Мурома. Он был первым ученым, изучившим Окско-Клязьминское междуречье.

На восток от Мурома (за 43° в.д.) леса кончились, и по безлесной, «несколько холмистой» местности Паллас добрался до Арзамаса. Он исследовал извилистые берега р. Пьяны, левого притока Суры, огибающей так называемое Межпьяние — длинную, около 125 км, цепь крупных холмов (до 245 м), покрытых смешанным лесом, — северо-западная окраина Приволжской возвышенности. Осенью Паллас, следуя через Пензу, пересек эту возвышенность в ее самой широкой части: «Страна при реке Суре… угориста и лесом изобильна. Почти все увалы простираются хребтом и к западу имеют весьма крутые скаты, к востоку же все очень пологи. Между горными увалами… текут речки, впадающие в Суру». За 47° в.д. Паллас отметил «холмистую страну, по Волге простирающуюся» — водораздел бассейна Суры и Волги. В октябре он обследовал Заволжье по р. Черемшану примерно до 53° в.д. По мере продвижения на восток «страна становится… [все] гористее» — западная часть Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Перебравшись в верховья Сока, Паллас проследил Сокские яры (холмы по правому берегу Сока) и, обратив внимание на богатство местности нефтью по левобережью Волги, вернулся в Симбирск, где зимовал.

Весной 1769 г. Паллас обследовал Жигули и дал первую подробную топографическую характеристику Самарской Луки. На левом берегу Волги, близ устья Сока, он изучил Соколовы горы, а летом исследовал междуречье Самары и ее правого притока Кинели: «Правая сторона [этих] рек гориста, а левая представляет степь с плоскими увалами». Затем Паллас проследил Самару почти до верховья, выполнив пересечение Общего Сырта. Истоки Самары отделены от Урала «только простирающимися в ширину 18 верст степными горами».

В середине лета Паллас добрался до Оренбурга. Он прошел вдоль р. Яика сначала на восток до 59° в.д. и изучил «сухие горные увалы… [Губерлинские горы], дикие… совсем голые», а затем на запад — до Яицкого городка, теперь Уральска. Оттуда Паллас проехал на юг до устья Яика и отметил, что на этом пути «…земля и травы заметно переменяются. Голая степь чем дальше, тем ровнее». По дороге он собрал подробные расспросные сведения об одном из крупнейших Камыш-Самарских озер. «С северной стороны впали в него две посредственные [узкие], сильно лесом заросшие речки — Большой и Малый Узень. По берегам озера растет камыш. Всю восточную сторону озера окружают… барханы, мало разнящиеся от Рын-песков».

Паллас осмотрел озеро Индер и окружающие его высоты: «Этот горный хребет состоит из… нарочито высоких, при Яицкой стороне утесистых, а после помалу возвышающихся каменных гор». Он отметил, что из них «везде бьет соленая вода». Поднявшись на Индерские «горы», он увидел «обширное озеро, подобное большому, покрытому снегом полю. Озеро имеет кругловатую фигуру и много малых заливов». К югу потянулась «сухая степь», а за 48° с.ш. — «низкая мокрая и соленая страна» до самого Гурьева.

Таким образом, Паллас первый исследовал часть Прикаспийской низменности. Он описал и нанес на карту устье Яика, а поздней осенью вернулся в Яицкий городок. Дожди и снегопады помешали ему продолжить работу, и он по тракту проехал в Уфу, где зимовал.