14 июня 1864 года стартовал второй этап экспедиции. Отряд выехал из станицы Урджар (Ныне Республика Казахстан), с целью завершения изысканий по уточнению российско-китайской границы и произведения топографической съемки в пограничной зоне. На этот раз в районе хребта Тарбагатай («место, в котором водится много сурков» (монгол.) – ныне в Казахстане на границе с Синьцзян-Уйгурским автономным районом Китая).

В начале июля отряд поднялся вновь на хребет в районе Сары-Чеку и направился на восток, по гребню Тарбагатая, по большой «кочевой» дороге, по которой кочевники со стадами переходят на летние пастбища (джайляу) в горных долинах, причем у каждого племени своя долина. Картина была живописной. Женщины в ярких красных халатах и неприметного цвета шароварах, с белыми повязками на головах, вели верблюдов. Связанные в цепочку верблюды, навьюченные палками, решетками и войлоками юрт или большими сумками с домашним скарбом. Завьюченные быки шли порознь. Поверх вьюков порой располагались старупппхи с грудными детьми. Дети, которые могли держаться в седлах, ехали верхом на лошадях или быках, совсем маленьких для страховки привязывали к седлам. Мужчины верхом, вооруженные пиками или фитильными ружьями, у некоторых на руке охотничьи орлы, управлялись с табунами лошадей. Погонщиками стад овец и коз были подростки. Блеяние овец и коз, мычание быков и коров, рев верблюдов, крики погонщиков далеко оглашали прохладный прозрачный воздух.

Тарбагатайская экспедиция, получившая в отчетах и документах название по одноименному хребту, завершилась успешно. В рамках Тарбагатайской экспедиции было собрано много сведений об особенностях рыболовства крестьян и казаков, обычаях и быте кочевников, о животном и растительном мире территорий вокруг и непосредственно, озера Зайсан-нор, и хребта Тарбагатай. В отчете об экспедиции Потанин приведет исчерпывающие сведения о русских караванах с товарами в Китай, о золотых приисках реки Терсайрык, о караванных путях в Китай (Джунгарское ханство), о динамике взаимного товарооборота, даже о том, что еще в XVIII веке этой дорогой проводили рабов для продажи в России.

Было выполнено задание Министерства иностранных дел по топографической съемке российско-китайской границы. 25 сентября 1864 года в китайском городе Чугучак был подписан так называемый Чугучакский (Тарбатагайский) протокол, договор между Россией и Китаем, об установлении российско-китайской границы в Центральной Азии. Протокол стал важнейшим приложением к Пекинскому трактату 1860 года, зафиксировав отказ Китая от территориальных притязаний в отношении России. Протокол этот стал возможен благодаря уточненным картам, составленным на основании географических и топографических изысканий, проделанных в рамках Тарбатагайской экспедиции (1863-64 годов), в составе Карла Васильевича Струве и Григория Николаевича Потанина.

А в декабре 1864 года на имя генерал-губернатора Восточной Сибири Михаила Семеновича Корсакова поступил донос о «конспиративной переписке сибирских сепаратистов», бывших студентов Санкт-Петербургского университета Григория Потанина, Николая Ядринцева, Серафима Шашкова и Николая Наумова.