23-летний доктор медицины рижанин Иоганн Антон Гильденштедт (Гюльденштедт), впоследствии русский академик, руководил одним из двух отрядов Астраханской экспедиции. Осенью 1768 г., следуя из Петербурга на юго-восток через Валдайскую возвышенность, он дал точное описание истоков Волги, Западной Двины и Днепра.

Весной 1769 г. И. Гильденштедт из Москвы проехал в Воронеж. Он подчеркнул резкое изменение ландшафта: «Необозримая степь или равнина, покрытая черной жирной почвой мощностью обыкновенно от 2 до 4 футов… тянется далеко за Воронеж». Очертив дугу длиной около 400 км по Окско-Донской равнине — «пространной степи, кишащей сусликами и хомяками», — И. Гильденштедт в октябре вышел к р. Хопру близ 51º с.ш. и подробно описал берега среднего и нижнего участков реки. Между 51 и 50º с.ш. он выявил «довольно обрывистые меловые горы» — поднимающуюся на правом берегу Хопра Калачскую возвышенность (до 245 м), сильно расчлененную балками и оврагами; ее восточный, более высокий край он проследил на 150 км, т. е. на всем протяжении.

Зимой 1770 г. из Астрахани И. Гильденштедт по береговой полосе Прикаспийской низменности и Ногайской степи проехал на р. Терек, в русскую крепость Кизляр. Оттуда весной и летом 1770 г. он совершил несколько маршрутов по Северному Кавказу и Ставрополью. В частности, описал Куму и верхний участок Западного Маныча там, где в него впадает слева р. Егорлык: «Около берегов вода горько-соленая… но на середине реки ее можно пить. Ширина Маныча здесь сто шагов. Берега покрыты коркой и солелюбивыми растениями». Таким образом, он был первым исследователем Кумо-Манычской впадины — юго-западного участка условной границы Европы и Азии. (О его работе на Северном Кавказе и в Закавказье см. гл. 11.)

Из Кизляра в конце лета 1773 г. И. Гильденштедт перешел к низовьям Дона и обследовал его дельту. Узнав, что русские войска заняли Крым (в 1771 г.), он отправился туда берегом Азовского моря и на пути последовательно описал косы северного побережья, в том числе Кривую, Белосарайскую и Бердянскую, Миусский лиман, низовья Кальмиуса и других рек, до Бердянского залива.

Не попав в Крым из-за сложной обстановки на полуострове, И. Гильденштедт повернул на северо-запад. Начался небольшой подъем, стали попадаться выходы кристаллических пород. Несколько далее, как он выяснил, довольно близко сходились истоки азовских рек Берды, Молочной и Конской (системы Днепра). «Между истоками этих рек находится очень высокий холм — Могила-Токмак». Так он отметил наличие водораздела близ северного берега Азовского моря — западная часть Приазовской возвышенности. Более 10 км двигался он «через местность с многочисленными буграми…» и по р. Конской осенью достиг Днепра ниже порогов.

И. Гильденштедт прошел вдоль левого берега реки до устья Самары через полосу кристаллических пород, прорываемых в этом районе Днепром. «Полоса эта [75 км шириной] представляет собой плоское гороподобное поднятие, протягивающееся с запада на восток между Днепром и [Северским] Донцом». Он выявил и довольно точно определил размеры «высокой степи», которая через 60 лет была названа Южно-Русской кристаллической полосой — юго-восточный край громадного Украинского кристаллического щита.

Зимовал И. Гильденштедт в Кременчуге. Летом 1774 г. он выполнил 800-километровый маршрут, главным образом для ботанических исследований на правобережье Днепра, в его излучине — от верхнего Ингульца на востоке до р. Синюхи, притока Южного Буга, на западе. Он отметил и там широкое распространение кристаллических пород и таким образом продолжил открытие кристаллической полосы, которая, по его данным, протянулась на 550 км от приазовских степей до р. Синюхи. (В XIX в. было установлено, что на север она продолжается до границы Полесья.).

Осенью 1774 г. И. Гильденштедт прошел другим 800-километровым маршрутом — теперь уже на восток близ 49° с.ш. — до Северского Донца и его притока р. Айдар, причем описал северный край Донецкого кряжа у 39° в.д. Поднявшись по Донцу до 49°40' с.ш., он через Приднепровскую низменность достиг Киева.

Гильденштедт первый охарактеризовал почвы, растительность и животный мир степей Юго-восточной Европы и открыл несколько новых видов позвоночных.