22 декабря 1766 года Петербургская Императорская Академия наук избрала Палласа своим действительным членом и профессором натуральной истории. Сначала Паллас отказался, но в апреле 1767 года согласился — и 23 апреля 1767 года избрание его членом академии было подтверждено. 30 июля 1767 года в возрасте 26 лет — уже имея докторскую степень, профессорское звание и признание в Европе — Паллас вместе с семьёй (молодой женой и малолетней дочерью) прибыл в Россию для работы в качестве адъюнкта Петербургской Академии наук и коллегии асессора. От Академии ему был положен оклад в размере 800 рублей в год, что по тем временам было высоким жалованием.
Екатерина II активно интересовалась устройством и богатствами своей империи, и идея комплексного исследования страны с целью узнать её геологические, минералогические, животные и растительные ресурсы, а также выявить исторические, социально-экономические и этнографические особенности отдельных её регионов возникла у императрицы после завершения собственного путешествия по Волге от Твери до Симбирска в 1767 году (о такой экспедиции мечтал ещё Ломоносов). Вскоре по её распоряжению была начата организация новых экспедиций — нескольких «астрономических» и «физических» отрядов. В задачу шести астрономических отрядов входило вычисление солнечного параллакса при прохождении Венеры через диск Солнца в июле 1769 года (тем самым предоставлялась возможность более точно определить расстояние между Землёй и Солнцем). Первоначально задумывалось, что Паллас будет участвовать в астрономической экспедиции на Камчатку, но позже планы были изменены.
Физическая экспедиция состояла из пяти небольших отрядов — трёх в Оренбургскую губернию и двух в Астраханскую. Подготовка к экспедиции заняла год: только в июне 1768 года Паллас со своим отрядом выехал из Санкт-Петербурга, в пути его сопровождала семья. Паллас руководил основным отрядом (1-м отрядом Оренбургской экспедиции) с 21 июня 1768 года по 30 июня 1774 года; в состав отряда также входили капитан Н. П. Рычков, гимназисты (двое из которых сами стали позже академиками) Н. П. Соколов, В. Ф. Зуев и Антон Вальтер, рисовальщик Николай Дмитриев и чучельник Павел Шумский. Отряд побывал в центральных губерниях, районах Поволжья, Прикаспийской низменности, Урала, Западной Сибири, Алтая, Байкала и Забайкалья. Другие отряды возглавляли академики профессор И. П. Фальк, И. Г. Георги, И. И. Лепёхин (в Оренбургскую губернию), С. Г. Гмелин (погиб в Дагестане, попав в плен к горцам) и И. А. Гильденштедт (в Астраханскую губернию).
В целом естественнонаучные экспедиции екатерининского периода охватили обширную территорию России — от Баренцева моря на севере и до Чёрного (Северный Кавказ и Крым) и Каспийского (до границ с Персией) морей на юге и от Балтийского моря (Рига) на западе до Забайкалья (до границ с Китаем) на востоке.
Маршрут отряда Палласа проходил в первый год по городам Петербург — Новгород Великий — Тверь — Клин — Москва — Владимир — Касимов — Муром — Арзамас — Пенза — Симбирск — Самара — Ставрополь (ныне Тольятти) — Симбирск. Первую зиму экспедиция провела в Симбирске. В марте 1769 года Паллас с отрядом через Ставрополь-на-Волге (Тольятти) отправился в Самару, затем в Сызрань и Серный городок (ныне Серноводск); вернувшись в Самару, он через Борск (ныне село Борское Самарской области) двинулся в Оренбург, затем в Яицкий городок (ныне Уральск), затем вдоль реки Урал доехал до Гурьева, а затем, через степь, — до Уфы, где оставался до 1770 года. Во время зимовки в Уфе Паллас закончил первый том описания своего путешествия — «Reise durch verschiedene Provinzen des Rußischen Reichs» (нем.) («Путешествие по разным провинциям Российского государства»), — который в следующем, 1771 году, был опубликован в Санкт-Петербурге.
В мае 1770 года Паллас выехал из Уфы. Лето он посвятил изучению Уральских гор, был в Екатеринбурге, посетил местные горные заводы; был на реке Туре. На зиму остановился в Челябинске. Уже зимой ездил в Тобольск и Тюмень, затем вернулся в Челябинск. В апреле 1771 года Паллас с отрядом покинул Челябинск и в мае прибыл в Омск. Через Алтай экспедиция дошла до Томска.
Зиму 1772 года Паллас с отрядом провёл в Красноярске. За время зимовки Паллас подготовил второй том своего труда «Reise durch verschiedene Provinzen des Rußischen Reichs». Из его писем Иоганну Альбрехту Эйлеру, секретарю Академии наук, следует, что он собирался продолжить свой путь в Китай, но теперь из-за плохого здоровья вынужден отказаться от этого плана. Также Паллас жаловался Эйлеру, что путешествие 1771 года — сплошная череда неудач и неприятностей. В письме к Иоганну Петеру Фальку Паллас писал, что потерял всякое желание к дальнейшим путешествиям и чувствует себя сибирским изгнанником… К счастью, здоровье Палласа улучшилось, к тому же в Красноярск приехал академик Иоганн Готлиб Георги.
В марте 1772 года Паллас с отрядом отбыли из Красноярска. Через Иркутск по льду Байкала они добрались до Селенгинска (ныне Новоселенгинск), затем до Кяхты. После возвращения в Селенгинск Паллас посетил Даурию. Через Селенгинск и Иркутск Паллас вернулся в Красноярск, в котором пробыл до января 1773 года, после чего отправился в обратный путь, в сторону европейской части России. Паллас проследовал через Томск, Тару, Сарапул и Казань. В сентябре он остановился в Царицыне (ныне Волгоград), где оставался до весны следующего года. За время зимовки он совершил несколько поездок, в том числе побывал в Астрахани.
Через Москву Паллас вернулся в Петербург, в который прибыл 30 июля 1774 года.
В общей сложности маршрут палласовского отряда составил 27 264 версты (около 29 085 км), из которых 6000 вёрст (около 6400 км) проделали В. Ф. Зуев и Н. П. Соколов. По своим масштабам и сложности подобный экспедиционный проект и сегодня выглядел бы трудно выполнимым. Многолетнее путешествие было связано с большими трудностями и потребовало огромного напряжения сил, к тому же Паллас столкнулся с непривычным для него резко континентальным климатом. Как замечает сам Паллас в конце описания своего путешествия, он вернулся в столицу с обессиленным организмом и седеющими волосами на тридцать третьем году жизни. Во время путешествия Паллас неоднократно болел, он отморозил себя пятки, у него было хроническое воспаление глаз[2]. Ночевать приходилось и в заброшенных зимовьях, и в землянках, а иногда и под открытым небом. Много неприятностей доставляли дороги, трудно было достать хороших лошадей. Зимой ехали на санях, а летом — на телегах, плыли на лодках. Попадались и неспокойные районы, где кочевники, недавно вошедшие в состав России, не чурались грабежей и разбоя.
Результаты экспедиции
Научные результаты палласовской экспедиции превзошли все ожидания. Был собран уникальный материал по зоологии, ботанике, палеонтологии, геологии, физической географии, экономике, истории, этнографии, культуре и быту народов России. Коллекции, собранные во время этого путешествия, направлялись в Петербург, легли в основу коллекций академической Кунсткамеры, многие из них до сих пор хранятся в музеях Российской академии наук, а часть их попала в Берлинский университет. Собранные во время путешествий географические, геологические, ботанические, зоологические, этнографические и другие материалы впоследствии были обработаны Палласом.
В 1772 году в районе Красноярска Палласу показали 680-килограммовую железно-каменную глыбу, которая по распоряжению путешественника была отправлена в Петербург и сейчас украшает метеоритный отдел Минералогического музея имени академика А. Е. Ферсмана Академии наук. Этот крупнейший в России сидеролит (железно-каменный метеорит, или палласит) называется «Красноярск», или иногда «палласово железо».
В ходе экспедиции Паллас открыл и описал много новых видов млекопитающих, птиц, рыб, насекомых и других животных, в том числе ланцетника, которого принял за моллюска. Он также исследовал ископаемые останки буйвола, мамонта и шерстистого носорога.
Путешествие имело и громадное практическое значение. Оно дало сведения об уникальных природных богатствах Восточной Сибири и Алтая, которые до этого почти не были известны. Паллас рассказывал также о нуждах проживавших там народов. Для современной науки непреходящую ценность имеет тот факт, что Паллас описывал области России, её поля, степи, леса, реки, озёра и горы, когда они практически ещё не испытали «преобразующего» воздействия человека и были обильно населены видами животных, многие из которых исчезли уже через несколько десятилетий (например, дикая лошадь тарпан).
Результаты научного подвига Палласа и его помощников были обобщены им в многочисленных произведениях, опубликованных на латинском, немецком и русском языках в Петербурге и позднее переведённых на английский — в Эдинбурге и в Лондоне и на французский — в Париже:
«Reise durch verschiedene Provinzen des Rußischen Reichs in den Jahren 1768—1773» (нем.), или «Путешествие по разным провинциям Российского государства», вышедших вначале в трёх томах на немецком (СПб., 1771—1776), затем на русском (1773—1788), на французском (1788—1793) и английском (1802) языках, в которых среди многочисленных сведений о России дано удивительно точное описание более 250 видов животных, обитавших на её территории;
«Sammlungen historischer Nachrichten über die Mongolischen Völkerschaften» (нем.) («Собрания исторических сведений о монгольских народностях», СПб., 1776—1801);
«Neue nordische Beiträge zur physikalischen und geographischen Erd- und Völkerbeschreibung, Naturgeschichte und Ökonomie» (нем.) («Новые северные доклады по физическому и географическому описанию земли и народностей», СПб. и Лейпциг, 1781—1796, в 7 томах) и др.
Эти труды были высоко оценены современниками Палласа и стали источником ценнейшей и детальнейшей информации о ресурсах Российской империи того времени для просвещённых людей России и других стран.