Главной целью первой самостоятельной экспедиции П.К. Козлова являлось исследование Восточного и Среднего Тибета, а также попутное исследование Южного, или Монгольского Алтая и прилежащей к нему Центральной Гоби. План и маршрут экспедиции, разработанные П.К. Козловым, были утверждены Русским Географическим Обществом и Главным штабом, при этом последний дал путешественнику дополнительное задание – провести рекогносцировку всего маршрута. Деньги на экспедицию пожертвовал император Николай II.
Экспедиционный отряд состоял из 18 человек. Основные участники: П.К. Козлов, В.Ф. Ладыгин, А.Н. Казнаков (оба – помощники Козлова), Г. Иванов, П. Телешов, Ц.Г. Бадмажапов, А. Бохин.
Конвой экспедиции
Экспедиция вышла из станицы Алтайской и по северным предгорьям Монгольского и Гобийского Алтая прошла по Монголии до Далан-Дзадагада. Отсюда путешественники направились на юг и пересекли пустыню Монгольской Гоби, а затем пустыню Алашань и вышли в Ланьчжоу 18 января 1900 г. Особенностью этой экспедиции было то, что её начальник постоянно отправлял своих помощников (В.Ф. Ладыгина и А.Н. Казнакова) в дополнительные разъезды для ведения съёмки по сторонам от магистрального пути. Сам же П.К. Козлов неизменно шёл при главном караване. Благодаря такой системе район исследования значительно увеличивался.
Из Ланьчжоу ранней весной 1900 г., экспедиция двинулась в горы Наньшань. Пройдя по большой Принаньшаньской дороге через долину крупнейшего в Азии озера Куку-нор, она вышла в область солончаковых болот – Цайдам, посетив по пути буддийские монастыри Чертынтон и Чейбсен. В Цайдамской котловине во владениях – ставке (хырма) одного из местных князей Барун-цзасака был устроен склад и метеостанция, по сути, будка на деревянных сваях. В качестве наблюдателя на метеостанции Козлов оставил рядового Егора Муравьёва.
Астрономические наблюдения Козлова
Из Цайдама в мае 1900 г., перевалив через хребет Бурха-Буддак, отряд поднялась в горы Востосточного Тибета (Кам) («область речных ущелий»), где обследовал район верхнего течения рек Хуанхэ, Янцзыцзяна и Меконга. На карту были положены и описаны хребты, которым Козлов дал свои собственные названия, не сохранившиеся до нашего времени (Водораздельный, Дютрейль де Ренса, Русского географического общества, В. Рокхиля, Нанчинский, Кришны Сингха). Двигаясь далее на юг в направлении г. Чамдо, где П.К. Козлов рассчитывал получить разрешение китайских властей для прохода в южные области Кама, экспедиция была остановлена вооружённым отрядом тибетцев в долине реки Ному-чу и вынуждена была повернуть назад (ноябрь 1900). Козлову пришлось изменить свой первоначальный маршрут, конечной целью которого являлась запретная для европейцев столица Тибета, Лхаса, достигнуть которой не смог ни один из русских путешественников (за исключением буддиста-паломника Г. Цыбикова).
Зимние месяцы, до 19 февраля 1901 г., экспедиция провела в селении Лунток-ндо в лесном ущелье притока Меконга Рэ-Чу, что позволило Козлову основательно обследовать эту часть нагорья (округи Лхадо, Дэргэ). С помощью В.Ф. Ладыгина и А.Н. Казнакова были собраны многочисленные сведения по истории и этнографии Восточного Тибета, в том числе о его столице, Лхасе, о правителе Тибета, тибетских монастырях и т.д.
Обратный путь экспедиция прошла по тем же районам — через Цайдам и Восточный Наньшань, но новыми маршрутами, а затем пересекла Центральную Монголию (Гоби) и вошла в г. Кяхту, на русско-монгольской границе.
Результаты экспедиции, по словам П.К. Козлова, превзошли все ожидания. Путешественники сняли 12 800 км глазомерной съёмки, определили 37 астрономических пунктов и около 1000 барометрических высот; собрали различные географические, этнографические и исторические сведения, данные о торговле среди китайского и монгольского населения, а также коллекции горных пород — 1200 экз., гербарий — 1400 видов растений (свыше 30 000 экз.), большое кол-во семян и зоологические коллекции. В число последних входили: млекопитающие (300 шкур), скелеты (10 шт.), птицы (1500), рыбы и пресмыкающиеся (500), насекомые (30 000). Сверх того руководитель экспедиции сделал около 200 фотоснимков, которые затем были использованы в качестве иллюстраций для отчёта. Труды экспедиции были опубликованы в 1905-1908 гг. в нескольких томах.
Это путешествие, сопряжённое с немалыми опасностями проникновения в совершенно неисследованную до того времени область Кам, принесло П.К. Козлову мировую известность. В 1902 г. Русское Географическое Общество присудило путешественнику свою высшую награду – Константиновскую золотую медаль.