Шведский натуралист, ученик Линнея, впоследствии русский академик Йоханн Петер Фальк руководил вторым отрядом Оренбургской экспедиции. Осенью 1769 г. он проехал через Окско-Донскую равнину и проследил р. Медведицу, левый приток Дона, длина 745 км, от ее верховьев до устья, выполнив пересечение центральной части Приволжской возвышенности: «То на одной, то на другой стороне [Медведицы] гористые берега; ниже Идолги [ее верхний приток] левый берег представляет непрерывный ряд холмов, по большей части безлесных». Левобережье Дона между Хопром и Иловлей он охарактеризовал как «сухую открытую плоскость, местами холмистую… с мелкими ручьями и озерцами»; холмы правого берега Дона в районе излучины на западе исчезают «в необозримой, ровной, сухой, открытой и безлесной степи… Местами видны мелкие, по большей части соленые, озера и пруды… Мало степных ручьев».

От устья Иловли, крайнего пункта донской излучины, Й. Фальк проехал в Астрахань. В 1770 г. он пересек Прикаспийскую низменность в северо-восточном направлении. Вся обследованная часть низменности от Волги до Яика, кроме Рын-песков, по Фальку, — ровная, плоская, открытая степь, имеющая «вид бывшего морского дна». По правому берегу Яика он поднялся почти до 54° с.ш. и описал оба берега реки, в частности, очень скупо, Губерлинские горы, почти вдвое укоротив их, как лесистые, «с большими открытыми плоскостями». Он также перечислил много притоков Яика.

В 1772 г. Й. Фальк из Сибири прибыл в Екатеринбург и дал такую характеристику восточного склона Урала: «…[здесь] есть много проточных озерков; иные озера принимают ручьи и не имеют стоков; другие, по низкому их положению, собирают воду и имеют стоки, но большая часть озер никаких вод в себя ни принимает, ни спускает и потому принадлежит к болотам». Й. Фальк пересек Средний Урал по тракту с востока на запад, отметив, что он гораздо ниже Южного Урала и «горы составляют высокие, частью болотистые плоскости, сами же не круты, окружены большими плоскостями». По правому берегу Камы он отметил холмы, считая их отрогами «передовых гор Урала» — в действительности это восточные участки Верхнекамской возвышенности.

Весной и летом 1773 г. Й. Фальк проследил Волгу от Казани до Астрахани (более 1500 км), в том числе Самарскую Луку. К западу от Астрахани он обследовал многочисленные озера между 47 и 48° в.д.: «Астраханские соленые озера занимают вместе и отдельно с пресными… обширную страну с песчаными и глинистыми холмами». Он прошел от Терека по Черным Землям и Ногайской степи, т. е. пересек юго-западную часть Прикаспийской низменности, которая имеет «…вид высохшего моря и есть безлесная, волнистая, песчаная, частью глинистая и соленая равнина», и описал низовья Кумы: «…Весной впадает она в Каспийское море, а летом в ста верстах от него теряется в песчаных холмах». Той же дорогой, через Астрахань, Й. Фальк вернулся в Казань (о его работе в Западной Сибири см. гл. 11).

В 1774 г. 49 лет от роду Й. Фальк умер. После его смерти осталось много бумаг, которые сохранил и позднее привел в порядок И.Г. Георги (см. ниже). В подготовленный И. Георги к печати отчет Й. Фалька — «Материалы для топографического знания Российской империи» — включены описания посещенных им районов.