Для изучения Восточного Тянь-Шаня, региона между пустынями Такла-Макан и Гоби, а также горной страны Нань-шань Русское географическое общество организовало небольшую экспедицию. Возглавил ее географ и энтомолог Г.Е. Грумм-Гржимайло, обязанности топографа, как и ранее, выполнял его брат, офицер-артиллерист Михаил Ефимович. В конце мая 1889 г. отряд выступил из Джаркента (Панфилов, 80° в.д.), перевалил хребет Борохоро у 83° в.д. и направился на восток. Г. Грумм-Гржимайло выяснил, что эти горы и их продолжение (хребет Ирен-Хабырга) имеют очень крутой северный склон и дренируются многочисленными мелкими речками.

В поисках перевала на южные склоны Тянь-Шаня путешественники поднялись в верховья р. Манас, к подножию горного узла с ледниками, дающими начало ряду рек. Не найдя прохода, они отступили и, продолжив маршрут на восток, к концу сентября проследили весь вечноснеговой хребет Богдо-Ула (около 300 км). Затем экспедиция пересекла понижение между ним и протягивающимися далее к востоку горами, среди которых Г. Грумм-Гржимайло выделил два хребта — Баркельтаг со скалистыми северными отрогами и Карлыктаг с блиставшими на вершинах пятнами снега. Пройдя на юго-запад, он открыл и в октябре — ноябре обследовал самую глубокую материковую впадину Центральной Азии — Турфанскую; высота ее оказалась отрицательной, т. е. ниже уровня океана (по последним данным — 154 м).

В это же время на разведку на юг — в сторону «белого пятна» — направился М. Грумм-Гржимайло. Он перевалил невысокий кряж Чёльтаг широтного простирания и вместо показанной на прежних картах «Хамийской пустыни» обнаружил равнину со степной растительностью, ограниченную на юге хребтом Куруктаг.

Из Турфана экспедиция прошла по караванной дороге на восток и новый, 1890 г. встретила в городе Хами. Оттуда в конце января она направилась на юго-восток, по пути выполнив пересечение невысоких и коротких хребтов Бэйшаня. Г. Грумм-Гржимайло намеревался провести изучение территории южнее города Синий, за излучиной верхней Хуанхэ. Но планы пришлось круто изменить из-за несчастья с одним из казаков. В середине лета отряд обошел озеро Кукунор с юга и запада, преодолев Наньшань, и в сентябре вновь пересек Бэйшань примерно в 100 км восточнее прежнего маршрута. Г. Грумм-Гржимайло выделил эту горную страну в самостоятельную орографическую единицу Центральной Азии (завысив, правда, ее площадь более чем в два раза).

Далее маршрут отряда пролегал вдоль южных склонов Восточного Тянь-Шаня, осмотренных впервые на протяжении около 500 км. Затем Г. Грумм-Гржимайло вторично обследовал около 800 км северных склонов этой горной системы и закончил экспедицию в середине ноября в Джаркенте, пройдя более 7 тыс. км, из них 6 тыс. км по районам, до него не посещавшимся исследователями. Он доставил большую коллекцию насекомых и привез первые четыре экземпляра лошади Пржевальского.