Горы, казалось, стояли сплошной стеной, писала А. В. Потанина, вершины были покрыты пятнами снега и по утрам дымились туманами... . В конце сентября, перевалив хребет, экспедиция спустилась в центральную часть Тувинской котловины в долину реки Улуг-Хема (система верхнего Енисея) и, продвигаясь на восток, проследила ее более чем на 100 километров и на столько же долину реки Малого Енисея (Ка-Хем) до устья реки Улуг-Шивея. В результате пересечения Танну-Ола и 200-километрового маршрута по Тувинской котловине экспедиция точно нанесла на карту очертания главного хребта и его северных отрогов, а также уточнила картографическое изображение верховьев Енисея. Она поднялась по Улуг-Шивею до верховья, пересекла хребет Сангилен и, повернув на восток, к верховьям Дэлгэр Мурэна, вышла к западному берегу Хубсугула, вдоль которого простирается хребет Баян-Ула с высотами более трех тысяч метров. Путешествие закончилось в Иркутске. Дневники двух экспедиций Потанина составили четыре тома Очерков Северо-Западной Монголии (1881-1883), из них два тома этнографических материалов, собранных главным образом А. В. Потаниной. В 1884 году Географическое общество отправило Потанина в его первую китайскую экспедицию, в которой участвовали также А. В. Потанина и А. И. Скасси. Потанину предписывалось продвигаться такими маршрутами, которые дополнили бы работу Пржевальского. Двигаясь в населенной части провинции Ганьсу, он должен был описывать природу нагорной Азии и ее переходы к теплым долинам китайских равнин. Потанин вместе со спутниками прибыл в Батавию на русском фрегате Минин . Большой переход из Кронштадта через Индийский океан успешно закончился на острове Ява. Фрегат ушел, а Потанин остался дожидаться корвета Скобелев , который и должен доставить экспедицию в китайский порт Чифу. Первого апреля 1884 года русская экспедиция высадилась на китайскую землю. Через два месяца, закончив полное снаряжение, наняв ходких лошадей и выносливых мулов, путешественники вышли из Пекина и двинулись по Императорской дороге через Великую Китайскую равнину. Дорога вела мимо небольших селений и оживленных городов, мимо караванов, мимо бесчисленных нищих, тянувших навстречу руки, вымаливая подаяние. Через семь дней пути Потанин повернул караван на запад и вскоре достиг ответвления Великой Китайской стены, построенной еще в 211 году до нашей эры. Потом за спиной путников остались старинные монастыри с живописными кумирнями, большой древний город Куку-хото, Хуанхэ. Они вышли в долину Ордос, лежащую в ее гигантской излучине. Весной 1885 года путешественники перебрались в Синин, двинулись на юг и через горную безлесную область верхнего течения реки Хуанхэ, юго-восточные отроги Куньлуня и восточные склоны Сино-Тибетских гор достигли верховьев реки Миньцзяна (северный большой приток Янцзы).
Проследовав оттуда на восток около 150 километров, они повернули на север и через горные цепи системы Циньлин вернулись в Ланьчжоу, где снова зимовали. В результате этого двойного пересечения Тангутско-Тибетской окраины Китая Потанин подразделил ее на две части: северная представляет собой нагорье высотой более 3000 метров с редкими хребтами и неглубоко врезанными речными долинами; южная характеризуется сложным горным рельефом с глубокими речными долинами. В апреле 1886 года экспедиция прошла на запад к озеру Кукунор, повернула оттуда на север и, перевалив несколько безымянных хребтов, добралась к истокам реки Жошуй, точно ею установленным. При этом Потанин и Скасси обнаружили первую цепь системы Наньшаня, строение которой оказалось более сложным, чем показывал Пржевальский. Проследив все течение Жошуя до низовьев (около 900 километров), они вышли к бессточному озеру Гашун-Нур и точно нанесли его на карту. Двигаясь далее на север через Гоби, экспедиция при пересечении Гобийского Алтая выявила четыре его южных невысоких отрога широтного направления (в том числе Тост-Ула), исправив карту Певцова. Потанин так охарактеризовал пересеченную им полосу Гоби: южная часть представляет собой плоскую возвышенность с низкими хребтами; центральная пустынную впадину не более 900 метров; северная невысокую горную страну, продолжение Монгольского Алтая. От озера Орог-Нур экспедиция прошла на север по долине реки Туйн-Гол до ее верховьев, перевалила хребет Хангай и, повернув на северо-восток, через бассейн реки Орхон вышла к Кяхте в начале ноября 1886 года. При этом был нанесен на карту водораздел Селенги и Орхона хребет Бурэннуру и ряд небольших отрогов Хангая. Экспедиция Потанина пересекла Центральную Азию приблизительно по 101-му меридиану, причем горные цепи были пройдены поперек их основного направления, из-за чего не удалось установить длину и простирание отдельных хребтов. Результаты экспедиции описаны в работе Тангутско-Тибетская окраина Китая и Центральная Монголия (1893). Монгольские экспедиции сделали Потанина известным. Его отчеты, изданные в Петербурге Географическим обществом, представляли собой четырехтомный объемистый труд, поражавший обилием собранного материала и его разнообразием. Автор исследователь, соединивший в себе несколько разных научных школ: он и ботаник, и геолог, и этнограф. Он же историк и экономист, зоолог, картограф. Данные, им полученные, позволили уточнить старые карты, закрасить на них белые пятна , проставить высоты, соответствующие истинным, прояснить географические координаты многих пунктов.
Ценнейший научный материал представляли коллекции гербарии, собрания млекопитающих, рыб, птиц, моллюсков, пресмыкающихся, насекомых. Потанин впервые описал несколько народностей, ранее вовсе неизвестных или известных только понаслышке. Два отдельных тома включали народные легенды, сказки, эпосы все, что удалось услышать из народного устного творчества, было подробно записано и стало достоянием науки. Поселившись в Иркутске, Григорий Николаевич вступил в должность правителя дел Восточно-Сибирского отдела Географического общества. Позже Потанины перебрались в Петербург. Вскоре последовала новая экспедиция: в восточные окраины Тибета и китайскую провинцию Сычуань. Она началась в Кяхте осенью 1892 года. В Пекине врач русского посольства, осмотрев Александру Викторовну Потанину, посоветовал ей оставить всякие мысли о возможности дальнейшего путешествия. Однако женщина все же продолжила путешествие. Месяц продолжался их путь в жесткой телеге до древней столицы Китая Сиань-Фу. И еще более тысячи километров Александру Викторовну несли на носилках через горы Цзин-линь-шаня, пока экспедиция не достигла столицы провинции Сычуань. Неожиданный по силе припадок случился с ней уже на самой границе с Тибетом. На какое-то время она потеряла сознание, а потом лишилась речи. Григорий Николаевич решил прервать экспедицию и повернуть на Пекин. Александра Викторовна умерла в пути, в лодке, когда экспедиция спускалась вниз по Янцзы. Огромный путь до Пекина, потом до Урги (Улан-Батор) и до русской границы несли ее тело. И только в Кяхте предали земле. Несколько лет Потанин не допускал даже мысли о новой экспедиции. И лишь в 1899 году отправился в последнее путешествие. Он обследовал область хребта Большой Хинган малоизвестную, со множеством белых пятен , лежащую между Маньчжурией и Монголией. Умер Григорий Николаевич в Томске, прожив 85 лет.