Монгольская экспедиция была снаряжена на средства Географического Общества; в состав ее, кроме Григория Николаевича и его жены, вошли топограф Рафаилов, монголист А. М. Позднеев, охотник М. М. Березовский, чучельщик и два казака. Летом 1876 г. экспедиция выступила из г. Зайсанска на восток, обогнула оз. Улюнгур, пересекла Монгольский Алтай в верховьях р. Кобдо и осенью спустилась в г. Кобдо, торговый центр Северо-Западной Монголии, где провела зиму, изучая условия русской торговли. Весной 1877 г. путешественники вышли из Кобдо, вторично пересекли Монгольский Алтай, затем дважды Джунгарскую Гоби на пути в города Баркуль и Хами у конца Вост. Тянь-Шаня и обратно, далее еще раз перешли Монгольский Алтай и прибыли в г. Улясутай. Вторая половина лета была посвящена изучению горной страны Хангай до оз. Коссогола и оз. Убса; уже поздней осенью экспедиция из Уланкома вернулась в Кобдо и направилась в Кошагач на р. Чуе, в русских пределах, где 17 декабря путешествие закончилось.
Его результатами является исследование Монгольского Алтая, Джунгарской Гоби, восточного конца Тянь-Шаня Хангая и озерной области Монголии; кроме ботанических, зоологических и геологических коллекций и маршрутной Северо-Западной съемки были собраны сведения о русской торговле в Кобдо, Уланкоме, Улясутае, Баркуле и Хами, о путях по С.-З. Монголии и из нее в Китай и многочисленные этнографические материалы. Отчет Григорий Николаевич составляет два тома «Очерков Северо-Западной Монголии»; первый содержит очень подробные путевые дневники и все географические и естественно-исторические наблюдения, второй – посвящен этнографии и археологии (племена и поколения Северо-Западной Монголии, тюркские и монгольские, памятники древности, быт религиозный, семейный и общественный, внешняя обстановка, поверья и заговоры, названия созвездий, животных и растений, сказки и легенды).
В путевых дневниках Потанина мы находим особенности, выгодно отличающие их от описаний путешествий Пржевальского, именно обстоятельное описание всего пути с массой сведений из личных наблюдений и расспросов; собственным переживаниям, путевым передрягам и охотничьим приключениям, занимающим слишком много места в книгах Пржевальского, Григорий Николаевич уделяет ничтожное внимание. Это, конечно, делает его отчеты более сухими, негодными для легкого чтения, но научная ценность их выигрывает. Недостатком является отсутствие общих характеристик исследованных стран; считая свои наблюдения недостаточно полными, Григорий Николаевич воздерживался от общих выводов,