Решено было направить одновременно с астрономическими и «физические» отряды — экспедиции натуралистов для изучения природы различных районов России. Так получилось, что важнейшие результаты по изучению России добыли именно «физические» экспедиции.

К весне 1768 года организация всех экспедиционных отрядов была полностью определена. Шесть астрономических экспедиций отправились специально для наблюдения Венеры. Из пяти «физических» три экспедиции получили название Оренбургских, а две — Астраханских (по названию губерний, куда вначале они должны были направиться). Впоследствии маршруты этих отрядов пролегли по многим отдаленным районам России.

Паллас возглавил первый Оренбургский отряд, который считался основным в Оренбургской экспедиции. По существу, Паллас являлся и общим руководителем всех трех Оренбургских отрядов. Для всех пяти «физических» отрядов была составлена одна общая инструкция, определявшая задачи и содержание их работ.

Первые строки инструкции гласили: «Всем в разные посылки назначенным испытателям натуры, как тем, которым предписан путь вдоль по Волге, а потом по Оренбургской губернии и некоторой части Сибири, так и определенным в Астрахань и Малую Россию… всевозможнейше стараться изыскания свои согласовать точно с тем намерением, с которым оные экспедиции отправляются, то есть полагая единственным предметом пользу общую Государства и распространение наук». Инструкция требовала от руководителей отрядов так выбирать свой путь, чтобы «никакого места бесполезно не проехать» и чтобы «ничего важного просмотрено не было».

Важнейшей частью инструкции являлся перечень предметов, до которых «изыскания и наблюдения разъезжающих испытателей натуры касаться должны». Необходимо было описывать по пути следования экспедиций «естество земель и вод», состояние сельского хозяйства и промышленности, в частности рыболовства и охотничьих промыслов, населенных пунктов, эпидемиологическое состояние местностей, наличие полезных ископаемых, лекарственных трав.

Вслед за пунктами, определяющими главные цели работ, указывалось: «Сверх того, Академия надеется, что путешествующие прилежно примечать будут все, что может служить к объяснению общей и к поправлению частной географии, также погоды, тепло и стужу… описывать нравы, светские и духовные обряды, древние повести народов, обитающих в той стране, которую проезжать будут, причем примечать встречающиеся древности, осматривать развалины и остатки древних мест». Экспедициям предписывалось собирать зоологические, ботанические и минералогические коллекции, а также зарисовывать собранные экспонаты.

Экспедиции отправлялись на три-четыре года. В состав отряда, возглавляемого Далласом, вошли капитан Николай Петрович Рычков (должен был присоединиться к отряду уже в Оренбургской губернии, так как служил в Симбирске), окончивший в 1768 году Академическую гимназию Василий Федорович Зуев (будущий академик, профессор по натуральной истории), студенты Академического университета Никита Петрович Соколов (будущий академик, химик и минералог), Антон Вальтер, рисовальщик Николай Дмитриев, чучельник Павел Шумской и один стрелок-егерь.

21 июня 1768 года обоз отряда Палласа выехал из Петербурга. Он состоял из профессорской кареты, в которой ехал Паллас с женой, кибиток со студентами и другими членами отряда, подвод с научным оборудованием и личными вещами.

Паллас начал вести наблюдения уже в первый день пути. В Москве он встречался с известным историком академиком Г. Ф. Миллером, побывавшим в Сибири как участник экспедиции Беринга 1733–1743 годов. В беседах с ним Палласу удалось «довольно собрать полезных известий».

Из Москвы отряд направился в город Владимир. Паллас описал большую часть течения реки Клязьмы, обратив внимание на приподнятость обоих берегов реки под Владимиром, особенно к югу от него (Высокоречье). Из Владимира обоз проследовал к Касимову, а затем вдоль левого берега Оки — до Мурома. Паллас был первым натуралистом, изучившим Окско-Клязьминское междуречье.

Из Мурома Паллас ездил на железоделательный завод купца Баташева, расположенный в 25 верстах (около 27 километров) от города, и осмотрел места добычи железной руды. Он отметил уничтожение окрестных лесов на дрова для выплавки железа из руды, а также отсутствие каких-либо подпор и раскрепления стен неглубоких штолен при добыче руды, что нередко приводило к обвалу земли и гибели рудокопов.

На восток от Мурома леса кончились, и отряд добрался до Арзамаса. Паллас побывал на нескольких кожевенных и мыловаренных заводах и в красильнях. Он описал их примитивное оборудование и отметил, что рабочие делают свое дело «обыкновенным в России трудным образом». Им были исследованы извилистые берега реки Пьяны (левого притока реки Суры) с выработками известняка и карстовыми пещерами. Река огибала цепь холмов высотой до 245 метров и протяженностью 125 километров, покрытых смешанным лесом, — северо-западную окраину Приволжской возвышенности.

Затем, следуя через Пензу, отряд пересек эту возвышенность в ее самой широкой части.

В своей книге-отчете «Путешествие по разным провинциям Российской империи», изданной в Петербурге в 1773–1788 годах (все цитаты далее из нее), Паллас писал: «Страна при реке Суре… угориста и лесом изобильна. Почти все увалы простираются хребтом и к западу имеют весьма крутые скаты, к востоку же все пологи. Между горными увалами. текут речки, впадающие в Суру». Затем он отметил «холмистую страну, по Волге простирающуюся», — водораздел бассейнов Суры и Волги.

В октябре Паллас обследовал Заволжье по реке Черемшану — западную часть Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Вскоре к отряду присоединился капитан Н. П. Рычков. Переехав в верховья реки Сок, ученый проследил Сокские яры (холмы по правому берегу Сока), обратил внимание на богатую нефтью местность по левобережью Волги. В верховьях рек Сок, Кинель и Самара он увидел и первым описал животное, которое русские называли дикой козой, а татары — сайгой.

Зимовал отряд в Симбирске. Через месяц после прибытия в Симбирск неутомимый руководитель отряда совершил поездку на развалины города Болгар — столицы Волжской Болгарии (Булгарии) в X–XII веках. Находясь в Симбирске, Паллас подробно описал животных, рыб и рыбные промыслы на Волге. При этом он использовал как свои наблюдения, так и сведения, сообщенные местными жителями.

В ходе путешествия Паллас, помимо сбора сведений о реках, рельефе местности, подробно описывал флору, фауну, хозяйственные учреждения, минералогические находки, способы обработки и употребления разных продуктов. Он изучил быт мордвы, татар, чувашей.

Весной 1769 года Паллас направился в Самару. Он обследовал Жигули и дал первую подробную топографическую характеристику Самарской Луки. Побывал онив Сызрани. На левом берегу Волги, близ устья реки Сок, он изучил Соколовы горы, а летом исследовал междуречье рек Самары и ее правого притока Кинели. Он отметил, что «правая сторона рек гориста, а левая представляет степь с плоскими увалами». Затем он проследил реку Самару почти до верховья и установил, что истоки Самары отделены от Урала «только простирающимися в ширину 18 верст степными горами».

В тот год летом стояла неимоверная жара. На полях все высохло, земля в степи покрылась трещинами в 5 сантиметров шириной и до 70 сантиметров в глубину. Горела трава. Кое-где Палласу пришлось ехать через огонь. Объехав за неделю соленые ключи по реке Усолке, Паллас в селе Новодевичьем встретился с руководителями 2-го и 3-го Оренбургских отрядов профессором И. П. Фальком и адъюнктом И. И. Лепехиным, с которыми совершил экскурсии в соседние районы. На обратном пути в Самару он посетил заброшенный серный завод и разработки самородной серы.