Начальником одного из двух отрядов Астраханской экспедиции был врач, немецкий натуралист Самуэль Готлиб Гмелин, впоследствии русский академик. На пути к Каспию летом 1768 г. он исследовал Валдайскую возвышенность и довольно точно указал ее размеры. «Валдайские горы… в длину простираются… более [чем] на 400 верст, а в ширину занимают около 80 верст». Северным окончанием их, по С. Гмелину, являются высоты у города Борови-чи, на р. Мете, участком западной границы — р. Пола. В этом месте Валдай четким 300-метровым уступом поднимается над низменностью, орошаемой р. Полой и другими притоками озера Ильмень.

В Воронеже С. Гмелин заболел и остался там зимовать. Летом 1769 г. он проследил Дон до устья, изучив «всего Дона достопамятности». Однако берега реки, в частности излучина Дона между 50° и 47°30' с.ш., описаны им очень скупо: «В этой пространной степи находятся… болотины и озера; топкими местами называемые, кои или всегда стоят, или образуются, когда Дон с другими в него впадающими реками выступит из берегов своих».

Затем С. Гмелин прошел левым берегом Дона до Царицына (Волгограда) и Волгой до Астрахани. На пути к востоку от Ахтубы он описал соленое озеро Баскунчак и поднимающуюся близ его южного берега одинокую «гору» Большое Богдо (149 м над уровнем океана). С. Гмелин обратил внимание на то, что «правый берег Волги, так [же] как… у Дона, Воронежа, Хопра, Медведицы и прочих, высок и горист, а левый низок», но не сделал обобщающего вывода из этого верного наблюдения.

Совершив в 1770 г. путешествие в Иран, С. Гмелин вернулся в Астрахань в начале 1771 г. Весной и летом он изучал низовья Волги до Царицына, осенью и зимой через Сарпинскую низменность и Черные Земли достиг Кумы, побывал на Тереке и тем же путем вернулся в Царицын с большой ботанической коллекцией.

С июня 1772 г. по февраль 1774 г. С. Гмелин вторично путешествовал по Ирану, а на обратном пути был захвачен одним из горских князьков и умер в плену в июле 1774 г. Материалы его экспедиций были спасены. В частности, С. Гмелин первый описал исчезнувшего к концу XVIII в. тарпана («дикая лошадь Гмелина»).