В феврале 1770 г. Паллас направил своего спутника Никиту Петровича Соколова (впоследствии академик — химик и минералог) на нижний Яик и к Каспийскому морю, сам же летом двинулся на восток до р. Сима, притока Белой, описал карстовый характер его верховья и обследовал ряд пещер. У р. Катав, притока р. Юрюзани, перед ним на юге, за небольшими отрогами, открылись «…высокие горы… [Зигальга и др.], лежащие между источниками Сима, Катава и Юрюзани».

Переправившись через Юрюзань, Паллас, следуя близ 55° с.ш. до Челябинска, выполнил первое пересечение Южного Урала через верховья рек Ай и Миасс, перевалив хребты Уреньга и Уралтау. «Эти высокие непрерывные горы повсюду лесом покрыты и… так мокры, что во время дождевой погоды и на самом верху по топям и воде бродить надобно. И потому… горы эти не только много источников и ручьев рождают, но и многие свои подземных вод сокровища на лежащую к востоку равнину изливают. Чему явным свидетельством служат как при подошве [гор], так и далее [к востоку и северу] рассеянные великие и малые озера».

Это пересечение позволило Палласу впервые выявить в строении Уральских гор меридиональную зональность — теперь выделяют шесть таких зон. Опираясь на свои материалы, он разработал схему общего строения Уральских гор, которая позднее легла в основу его теории образования горных хребтов Земли.

Паллас описал систему озер у «излучины [верхнего] Миасса», где с 1920 г. организован Ильменский заповедник. Из Челябинска он прошел в Екатеринбург по восточному склону невысокого здесь Урала, мимо многочисленных озер, также им подробно описанных, и вдоль верхней Чусовой. В начале этого пути «…места становятся гористее… каменистее и все лесом покрыты…», за 56-й параллелью леса поредели. Паллас отметил, что Чусовая вытекает «из отрога главного Уральского хребта», а ее правый, восточный берег здесь «не столь приметен, как те высокие горы, кои начинаются от Чусовой к западу», — первое указание на Уфалейский хребет.

К северу от Екатеринбурга, в истоках Туры, Паллас осмотрел знаменитое железорудное месторождение — гору Благодать, «усеянную соснами». С нее открылся хороший кругозор: «На западе виден… Уральский пояс, в том месте болотистый, невысокий и широкий, на северо-западе высокая гора Качканар». Отсюда к северу Паллас двигался на лошадях, примерно по 60-му меридиану через верхние участки рек Ляля, Лобва и Каква (все — системы Иртыша) вдоль восточного склона Урала, до 60° с.ш.

От верховьев Ляли на западе Паллас видел меридиональный «высокий хребет» — Северный Урал с покрытыми снегом вершинами. «Урал и все почти здешние места излишне болотисты и ключами изобильны». Он обнаружил, что у 60° с.ш. верховья двух горных рек системы Иртыша и Камы очень сближаются (около 5 км). «Из этой северной пустыни» он вернулся прежним путем в Челябинск и двинулся на юг вдоль восточного склона Урала; местность становилась «ровнее и ниже» и изобиловала стоячими озерцами и солонцами. Он отметил много озер между 55 и 54° с.ш. Там от Уральских гор прямо на юг вдоль 60° в.д. простиралась «цепь высоких, лесами покрытых холмов, которые под именем Окто-Карагай… [и] Джабык-Карагай разделяют ручьи, впадающие в Яик, от льющихся в Тобол».

В начале осени Паллас прекратил работу из-за болезни глаз: «сияние света причиняло нестерпимую боль». За лето 1770 г. он проследил восточный склон Уральских гор на протяжении почти 700 км. Зимовал он в Челябинске, куда в октябре прибыли Н. Рычков и Н. Соколов.

Соколов весной 1770 г. спустился по Яику примерно до 48° с.ш. и, двигаясь по «гористой, иловатой и богатой солью степи», добрался до рукава Яика с солоноватой водой, который довел его до соленого озера Жалтыр. Проехав по песчаной и безводной степи на юго-запад до 50° в.д., Соколов повернул на северо-восток, берегом моря добрался до Гурьева и в 100 км к востоку отметил ряд соленых озер, ныне превратившихся в солончаки (соры); он был первым исследователем восточной части Прикаспийской низменности. В Челябинск Соколов доставил 14 новых видов позвоночных и большую энтомологическую коллекцию. В середине октября, пользуясь теплой погодой, он описал между 53 и 55° с.ш. «многочисленные соленые, горькие и другие… озера, коими вся степь между Миассом, Уем и Тоболом усеяна».