До конца 40-х гг. XIX в. об Арале имелись крайне отрывочные сведения. Для его съемки была организована экспедиция под начальством военного моряка Алексея Ивановича Бутакова; в качестве живописца он зачислил сосланного в солдаты Тараса Григорьевича Шевченко, поручив ему «снимать все виды местности [и] морской перспективы». В состав экспедиции вошли также четыре военных топографа, в том числе Козьма Данилович Рыбин и Михаил Федорович Христофоров, выполнившие основной объем съемочных работ.

Весной 1848 г. в Оренбурге Бутаков построил плоскодонную шхуну «Константин», переправил ее в разобранном виде к Аральскому укреплению (Аральск) и там собрал. Летом и осенью 1848 г. он описал берега моря, за исключением восточного, открыл у 45° с.ш. группу «Царских островов» (теперь Возрождения, Комсомольский, Константин), обнаружил колебание уровня Арала. Из-за сильных штормов в начале октября съемку пришлось прекратить. «Ветры [на Арале] крепчают вдруг, разводят огромное волнение и потом, стихнув… оставляют после себя несносную зыбь… Аральское море принадлежит к числу самых бурливых и беспокойных».

Экспедиция зимовала на острове у устья Сырдарьи; для Шевченко эта зимовка была исключительно плодотворной. Летом 1849 г. Бутаков продолжил опись Арала: заснял восточный берег, сделал промеры глубин, завершил съемку наиболее крупных заливов — Паскевича (ныне — Шевченко), Тущибас, а также полуостровов Каратуп и Куланды, впервые нанес на карту залив Чернышева и небольшие острова Толмачева, Беллинсгаузена и Лазарева. Работе вновь мешали штормы и жара: «Летом… жары нестерпимые, без дождей и воздух очищается только господствующими ветрами… В море эти ветры делают плавание весьма трудным: часто подвергали они нас крайней опасности… и вынуждали к рискам, нередко выходившим из пределов благоразумия». В начале октября первая опись Арала была закончена.

Зимой 1849/50 г., перебравшись в Оренбург, Бутаков составил первую сравнительно точную карту Аральского моря. Шевченко создал альбом акварельных видов моря; «почти все названия, встречающиеся в отчетах экспедиции, отмечены специальным рисунком Шевченко» (М. Шагинян). Материалы экспедиции и альбом были направлены царю. «Награда» не заставила себя ждать: Шевченко сослали на Мангышлак, а Бутакову объявили строгий выговор, запретили публикацию результатов съемки и установили негласный надзор полиции. В 1852 г. Бутаков организовал первое пароходство на Арале. Его «Дневные записки плавания…», откуда мы приводили цитаты, полностью увидели свет лишь в 1952 г. — через 83 года после смерти первого исследователя Аральского моря.

До 50-х гг. XIX в. очертания озера Балхаш наносились на карты по расспросным данным. Для его съемки была организована экспедиция Т.Ф. Нифантьева. В осенние месяцы 1852–1853 гг. с двумя помощниками-топографами, под прикрытием крупного отряда казаков он заснял все побережье озера, впервые определив его положение, размеры (около 22 тыс. км², по последним данным, 18,3 тыс. км²) и форму. На лодке Нифантьев прошел по Балхашу, описал небольшие острова, выполнил ряд промеров и выяснил возможность плавания по нему небольших судов.

Позднее Нифантьев собрал и систематизировал отдельные факты о природе Центрального Тянь-Шаня, доставленные русскими купцами, путешественниками и военными. Дополнив эти данные собственными материалами, он создал общегеографический труд «Сведения о дикокаменных киргизах», оставшийся в рукописи. Тянь-Шань, по Нифантьеву, «лишен» мифического меридионального Болора и является сложной системой хребтов; среди них он выделил три главных — Киргизский, Кюнгей-Ала-Тоо и «Теректи-Даван» (Какшаал-Тоо?); он первый охарактеризовал тянь-шаньские высокогорные плато (сырты); ему принадлежит первое правильное описание истоков Чу, образующейся слиянием Кочкор и Джоон-Арык, и Сырдарьи (составляющие Нарын и Карадарья); он описал также озеро Иссык-Куль и составил карту этой акватории. В 1859 г. Нифантьев выполнил съемку территории между озером Балхаш и хребтом Джунгарский Алатау от р. Каратал до границы с Китаем, а в 1862–1863 гг. нанес на сравнительно точную карту озеро Зайсан (1800 км²).