Первым европейским ученым-исследователем, проникшим в Центральный Тянь-Шань, был Петр Петрович Семенов, за свой научный подвиг получивший право именоваться Тян-Шанским. Еще в 1853 г., работая над дополнениями к «Землеведению» Карла Риттера, Семенов решил посетить загадочный и запретный для европейцев Тянь-Шань. Российское министерство иностранных дел ревниво оберегало азиатские страны «от вторжения географической науки», и Семенов с трудом получил разрешение побывать на Алтае и в «Киргизскихстепях» (Казахстан).

В 1856 г. из Семипалатинска Семенов добрался до Балхаша, который со своей «отсохшей оконечностью — озером Ала-Кулем [Ала-коль] — отделяет системы центрально-азиатских хребтов от однообразной Киргизской степи». К юго-востоку от Балхаша он увидел исследованную А. Шренком «ослепительно блестящую… вечными снегами», простирающуюся на юго-запад цепь высоких гор и назвал ее Джунгарским Алатау. За этим хребтом начиналась «низкая и жаркая» долина р. Или. Миновав ее, он достиг города Верного (теперь Алма-Ата).

В сентябре — октябре Семенов совершил два маршрута к озеру Иссык-Куль. Первый пролегал через восточную часть хребта, «круто… как исполинская стена» поднимавшегося к югу от города. Это был Заилийский Алатау (название дано Семеновым). Поднявшись на хребет примерно у 77°40' в.д., он увидел на юге межгорную котловину бассейна р. Чилика (приток Или) с несколькими параллельными кряжами; с огромной высоты перевала они «имели вид огромных грядок». Он спустился с хребта на юго-восток, в долину Чилика, и, перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, через широкую степную долину рек Тюп и Джергалан вышел к озеру. «С юга весь… синий бассейн Иссык-Куля… замкнут непрерывной цепью снежных исполинов». Это был «заветный Тянь-Шань» — хребет Терскей-Ала-Тоо: «Снежные вершины [его] казались прямо выходящими из темно-синих вод озера». Тем же путем Семенов вернулся в Верный. Через несколько дней он выехал на запад, пересек Заилийский Алатау у 76° в.д. и за р. Чу на юго-западе увидел очень высокий горный хребет (Киргизский). Поднявшись по долине Чу через дикое и мрачное Боамское ущелье, Семенов вышел к северо-западному берегу Иссык-Куля; этот маршрут позволил ему опровергнуть упорные слухи, что озеро служит истоком Чу. От Иссык-Куля Семенов поднялся на Кюнгей-Ала-Тоо, пересек долину правого притока Чу и на обратном пути к Верному перевалил Заилийский Алатау в самой высокой части (у 76°50' в.д.). При спуске с перевала ему и его спутникам «пришлось очень забавно и довольно безопасно скатываться по снегу со своими лошадьми».

Зиму 1856/57 г. Семенов провел в Барнауле. Возвратившись в Верный, он летим 1857 г. во главе большого отряда прошел по северному склону Заилийского Алатау на восток до р. Чилик; через параллельные кряжи Согеты и Тораигыр и заключенное между ними «сухое, безводное и… бесплодное плоскогорье» достиг верхнего течения Чарына, притока Или. С узкого гребня Тораигыра на юго-востоке Семенов первым из европейцев увидел величественный Хан-Тенгри. Перевалив Кюнгей-Ала-Тоо, он прошел на юг к северным склонам Терскей-Ала-Тоо. В один из вечеров, остановившись на ночевку, Семенов насладился чудесной панорамой: «Солнце уже склонялось к вечеру, над Кунгеем носились темные облака, эффектно освещенные солнечным закатом. В то время, когда снежные вершины Кунгей-Алатау уже начали загораться… альпийским мерцанием, мягкие куполовидные предгорья были облиты светом… как будто горы горели и дымились».

Поднявшись на перевал (у 78° в.д.) в Терскей-Ала-Тоо, он увидел на юге р. Нарын — «верховья древнего Яксарта» (Сырдарьи), перед ним расстилалась «волнистая равнина с зелеными озерцами» — сырты Внутреннего Тянь-Шаня. Спуститься к Нарыну Семенов не решился, так как лошади были изранены и измучены, поэтому он вернулся к Иссык-Кулю, затем перевалил Кюнгей-Ала-Тоо и достиг р. Чилик. Отдохнув в ауле и наняв свежих лошадей, Семенов вышел к Нарыну и поднялся по его левой составляющей. С перевала в Терскей-Ала-Тоо он был «ослеплен неожиданным зрелищем… [на юго-востоке] возвышался самый величественный из когда-либо виденных мной горных хребтов. Он весь, сверху донизу, состоял из снежных исполинов [Семенов насчитал их не менее 30]… Как раз посередине… возвышалась одна, резко… отделяющаяся по своей колоссальной высоте белоснежная остроконечная пирамида…» — Хан-Тенгри, долгое время считавшийся высшей точкой (6995 м) Тянь-Шаня. Спустившись в долину р. Сары-Джаз (бассейн Тарима), он прошел к ее верховьям, где открыл огромные ледники, в существовании которых он прежде сомневался, а затем вернулся в Верный.

Сам Семенов называл свое короткое путешествие «научной рекогносцировкой северо-западной окраины Центральной Нагорной Азии». Но результаты ее оказались значительными: он проследил Кюнгей-Ала-Тоо на 150 км, Терскей-Ала-Тоо на 260 км, обследовал Заилийский Алатау, связанный, как он выяснил, с другими хребтами Тянь-Шаня и образующий его передовую цепь; открыл огромную ледниковую область в верховьях Сары-Джаза и тянь-шаньские сырты; установил, что питание р. Чу не связано с озером Иссык-Куль, привел бесспорные доказательства отсутствия вулканизма в Средней Азии; первый установил высотные природные пояса Тянь-Шаня и высоту снеговой линии хребтов; впервые исследовал местность в истоках Нарына, Текеса и Сарыджаза, т. е. рек, принадлежащих трем из четырех крупнейших речных систем Центральной Азии — Сырдарьи, Или и Тарима; подметил характернейшую особенность Тянь-Шаня — расчленение на параллельные цепи и образование продольных, широтных, очень длинных долин. Наконец, Семенов, как отмечал К.И. Богданович, дал первое и такое четкое деление северных цепей Тянь-Шаня, основанное на их орографических и геологических особенностях, что ни один из более поздних путешественников XIX в., проходивших по тем же районам, не смог добавить к его данным ничего существенно нового.