Подготовку нового путешествия П.К. Козлов начал сразу же после публикации отчета о Монголо-Камской экспедиции. Задача двухлетней экспедиции в Монголию и Сычуань состояла, во-первых, в попутном исследовании Средней и Южной Монголии; во-вторых, в дополнительном изучении Кукунорской области, с озером Кукунор включительно; в третьих, в обследовании Северо-Западной Сычуани, граничащей с Восточным Тибетом. Как впоследствии вспоминал Козлов: «В тайнике души я лелеял заветные мысли найти в пустыне Монголии развалины города, на Кукуноре – необитаемый остров, в Сычуани — богатейшую флору и фауну… Роскошная природа Сычуани, её бамбуковые заросли, оригинальные медведи, обезьяны, а главное – чудные лофофоры (Lophophorus lhusi), – лофофоры, о которых до последних дней мечтал Н.М. Пржевальский, – манили к себе, не переставая…».
В состав экспедиции вошли: геолог Московского университета А.А. Чернов, топограф, капитан Военно-топографического управления Генштаба П.Я. Напалков, собиратель растений и насекомых С.С. Четыркин, заведующий экспедиционным караваном гренадер Г.И. Иванов (участник экспедиций Пржевальского, Певцова, Роборовского и Козлова), а также казаки-урядники П. Телешов, А. Мадаев, В. Демиденко, М. Давыденков, М. Санакоев, забайкальские казаки Е. Полютов (переводчик китайского языка), Б. Мадаев, Г. Бадмажапов (брат Ц.Г. Бадмажапова), Б. Содбоев. Эскорт экспедиции состоял из 10 человек.
Участники экспедиции
Из Кяхты экспедиция направилась в Ургу, а оттуда двинулась на юго-восток через Монгольский Алтай хребет Гурбун-сайхан к низовью реки Эдзин-гол и озёрам Сого-нор и Гашун-нур. Здесь, в песках Южной Гоби, Козлов обнаружил развалины тангутского города-крепости Хара-Хото и произвёл их пробные раскопки, которые проходили с 19 по 23 марта 1908 г.
Город Хара-Хóто (по тангутски Идзин-ай) – один из крупных городов средневекового тангутского государства Си-Ся («Западный Ся», X-XIII в.) находился в низовьях реки Эдзин-гола (область Ганьсу), пересекающей Гоби с юга на север. О его существовании было известно ещё со времён Марко Поло. Низовья Эдзин-года посещали экспедиции Г.Н. Потанина в 1886 г. и В.А. Обручева в 1893 г., однако, местные жители — торгоуты тщательно скрывали от путешественников местонахождение развалин Хара-Хото. В 1900 г. сам П.К. Козлов посылал к Эдзин-голу на разведку своего помощника А.Н. Казанакова, но он не дошёл до развалин Хара-Хото, поскольку его проводники намеренно обошли их стороной. И лишь накануне этого путешествия из письма участника своей первой экспедиции Цокто Бадмажапова, который в то время водил торговые караваны по Южной Монголии, Козлов узнал, что Бадмажапов совершенно случайно во время песчаной бури натолкнулся на развалины «мёртвого города», описал их, и послал своё сообщение, вместе с несколькими фотографиями в Русского Географического Общества. Сообщение Бадмажапова вызвало большой интерес у Козлова и послужило дополнительным стимулом для его новой экспедиции, хотя поиск Хара-Хото не внёс особых изменений в её маршрут.
О результатах посещения Хара-Хото Козлов сразу же направил донесение в Географическое Общество в Пеьербурге, в котором привел описание местности, краткую историческую справку о городе, составленную по расспросным сведениям, перечень произведенных работ и находок, приложил несколько фотографий. Информацию о Хара-Хото он послал также непременному секретарю Академии наук С.Ф. Ольденбургу и известному географу и археологу Д.Н. Анучину.
Во время первых пробных раскопок были обнаружены рукописи на китайском и тогда ещё неизвестном учёным языке «си-ся» (тангутском), а также ассигнации Минской династии – одна из редчайших и наиболее ценных находок, ибо это были первые дошедшие до нас бумажные деньги. Вторые раскопки Хара-Хото, проходившие с 30 мая по 7 июня 1909 г., оказались ещё более успешными. В одном из раскопанных путешественниками Субурганов — буддийском памятнике-реликварии в виде башни, была обнаружена целая библиотека (более 6 000 экз.) прекрасно сохранившихся свитков, рукописей, книг на тангутском, китайском, и уйгурском языках, сотни буддийских икон и скульптур, святыни из буддийских храмов. Здесь, однако, возникла серьезная проблема сохранения собранного археологического материала и его транспортировки в Россию. Загруженный до предела караван не мог увезти с собой весь археологический материал и Козлов принял решение оставить часть вещей, главным образом, крупную скульптуру на месте, предполагая для продолжения раскопок организовать еще одну экспедицию.
Прощаясь с Хара-Хото, 16 июня 1909 г. Козлов сделал в дневнике проникновенную запись: «Мне суждено связать с тобою свое имя, мне посчастливилось вызвать тебя к новой <…> жизни. Скоро история твоя, твоя тайна будет открыта».
Покинув Хара-Хото путешественники пересекли пустыню Алашань и вышли к г. Дыньюаньин. Здесь, по примеру предыдущей экспедиции, Козловым была устроена метеостанция. Наблюдателем на ней был назначен М. Давыденков. По окончании исследований Алашаньского края экспедиция разделилась на три отряда: Козлов с основным караваном направился к озеру Кукунор через Синин; Напалков с двумя помощниками Санакоевым и Мадаевым-мл. отправились по прав. берегу Хуанхэ через Ордос на юг и вышли в Синин; А.А. Чернов с Мадаевым-ст. и Демиденко проложили новый маршрут по пустыне до Сого-хото и пересекли Наньшань по диагонали Лянчжоу – Кукунор. На Куку-норе три партии вновь соединились.
Зиму с октября по декабрь 1908 г. экспедиция провела в оазисе Гуйдуй в долине Хуанхэ на границе Амдосского нагорья. Находясь в Амдо, путешественники посетили знаменитые буддийские монастыри Лавран и Гумбум. В последнем в феврале 1909 г. произошла встреча Козлова с Далай-ламой XIII. Из Гумбума через Синин отряд двинулся в Ланьчжоу (центр провинции Ганьсу), а оттуда, с согласия Русского Географического Общества, направился обратно в Гоби для проведения новых раскопок Хара-Хото. Таким образом, Козлов отказался от первоначально намеченного исследования Сычуани. По завершении раскопок экспедиции вновь пересекла Гоби и вернулась через Ургу в Кяхту.
Результаты нового путешествия Козлова получили высокую оценку мирового научного сообщества и поставили его в ряд крупнейших исследователей Центральной Азии. Ее успеху, как отмечает Т.И. Юсупова, способствовали, прежде всего, «личные качества путешественника: талант географа-исследователя, обширные знания в разных отраслях страноведения, исключительная энергия, упорство, умение подбирать спутников, преданность своему делу, а также фактор удачи».
Выставка в Русском Географическом Обществе в 1910 г.
Археологические находки в Хара-Хото несколько затмили другие, не менее значимые, достижения экспедиции. Козлов и его спутники проделали большую работу по географическому изучению территорий, по которым проходил их маршрут, в том числе, как и было запланировано, низовий Эдзин-гола с озерами Сого-Нур и Гашун-Нур. Впервые были проведены лимнологические работы на оз. Кукунор, с применением специально сконструированной разборной брезентово-пробковой лодки. Особой географической заслугой экспедиции считается изучение северо-восточной части Тибетского нагорья – Амдо, проходившее в тяжелых условиях высокогорной местности (от 4 300 до более 4 800 м над уровнем моря). Кроме того, были собраны ценные этнографические сведения о тибетских племенах и коллекции бытовых и религиозных предметов. Как и прежде Козлов доставил в Петербург богатые зоологические и ботанические коллекции, которые, были переданы для изучения в Зоологический музей и в Ботанический сад Академии наук. Одной из наиболее ценных зоологических находок экспедиции стал маленький тушканчик, пойманный 22 мая 1909 г. вблизи развалин Хара-Хото. Как впоследствии выяснилось, это животное принадлежало к совершенно новому роду и виду. Сотрудник Зоологического музея Б.С. Виноградов, изучавший привезенные сборы, присвоил ему имя П.К. Козлова – Salpingotus Kozlovi.