В мае 1841 г. в Бухару из Оренбурга отправилась экспедиция, в состав которой входили горные инженеры, натуралисты и несколько топографов. Повторив маршрут первой миссии, экспедиция достигла города Бухары в августе того же года. По пути в Кызылкумах натуралист Александр Адольф Леман описал небольшие горы. Из Бухары Леман с топографом Яковом Петровичем Яковлевым проехал в Самарканд. Съемку местности пришлось вести тайно: «Члены ученой экспедиции… подвергались на каждом шагу строгому надзору, точно опасные шпионы, так что на работы Лемана и Яковлева следует смотреть как на чудо» (А. Вамбери). Из Самарканда в сентябре Леман со спутниками отправился вверх по долине Зеравшана (правильнее Зарафшана) до р. Фандарьи (у 60°30' в.д.).

Вдоль обоих берегов Зеравшана, стремительно несущего здесь свои изумрудные воды, протягивались два широтных хребта со снежными вершинами: правобережный — Туркестанский и левобережный — Зеравшанский, частью сложенные красными, зелеными и желтыми породами. Поднявшись по Фандарье до озера Кули-Кулон, Леман очутился, по его выражению, в «Азиатской Швейцарии». Отсюда по горным тропам путешественники добрались до Пенджикента и вернулись в Самарканд. Из города Леман совершил экскурсии на северо-восток и юг для изучения западного участка Зеравшанского хребта, проследив его, таким образом, более чем на 300 км.

Яковлев составил первую карту центральной Бухары, основанную на материалах съемки; положение Туркестанского хребта на ней изображено неверно, а западной части Зеравшанского — близко к действительному. К зиме 1841 г. Леман со спутниками возвратился в Бухару, а в 1842 г. — прежним маршрутом — в Оренбург. На пути в Петербург, в Симбирске, Леман скоропостижно скончался; его дневники были обработаны и опубликованы лишь в 1852 г.