Изначально экспедиция была задумана Козловым как «возрождение» несостоявшейся в связи с Первой мировой войной Монголо-Тибетской экспедиции. В её программе намечалось на начальном этапе продолжить исследования в низовьях Эдзин-гола и в Хара-Хото. Основные же работы предполагалось сосредоточить на Тибетском нагорье с целью обследования бассейнов Янцзы, Меконга и Салуэна.
Проект Козлова был поддержан Советским правительством, признавшим экспедицию «своевременной» и «целесообразной» и распорядившимся выделить 100 тысяч рублей золотом на её снаряжение и дополнительно 4000 золотых рублей на подарки Далай-ламе. На эти деньги, в основном, была закуплена добротная парча известной московской фирмы Сапожникова, особо ценившаяся в Тибете. Однако неожиданный донос на П.К. Козлова в ГПУ в июне 1923 – обвинение его и других путешественников в «белогвардейских настроениях» – привёл к задержке экспедиции в Петрограде, а затем переформированию её состава и изменению маршрута. В результате путешествие в Тибет – страну, находившуюся в «сфере британского влияния», стало невозможным, и экспедиция сосредоточила свои работы на территории Монголии, подконтрольной СССР.
Основные участники экспедиции: П.К. Козлов, его помощники: Е.В. Козлова (орнитолог, жена П.К. Козлова), Н.В. Павлов, С.А. Глаголев (географ), С.А. Кондратьев; А.Д. Симуков, В.А. Гусев, В.М. Канаев, Н. Пржевальский А. Бохин, П. Телешов. Летом 1925 г. в составе экспедиции работали командированные АН СССР минералог В.И. Крыжановский, почвовед Б.Б. Полынов, археологи Г.И. Боровко и С.А. Теплоухов.
Экспедиция прибыла из г. Кяхты в свой начальный пункт Ургу (ныне Улан-Батор), где она вынужденно, по распоряжению Москвы задержалась на длительное время; здесь же в конце 1923 г. был переформирован её отряд. Во время обследования северных окрестностей Урги, в горах Ноин-ула, было обнаружено около 200 однотипных курганов и по решению Козлова весной 1924 г. была начата первоначально незапланированная раскопка некоторых из них, прежде всего в ущелье Суцзуктэ. Раскопками руководил С.А. Кондратьев. В начале 1925 г. во время поездки в Ленинград Козлов составил и согласовал с руководством Русского Географического Общества и властями новую программу, маршрут экспедиции. Вернувшись в Ургу, он сформировал две партии. Первая (Восточная), возглавляемая С.А. Глаголевым, отправилась на юг до Монгольского Алтая, и оттуда на запад в направлении Хара-Хото, где были произведены новые раскопки древнего городища. Вторая партия (Западная), во главе с Козловым, выступила 1 августа 1925 г. к юго-западу, вниз по долине реки Тола, в направлении Хангайского хребта. Отрядом был обследован обширный район в западной части Хангайских гор и Монгольского Алтая. Основное время на заключительном этапе (весна – лето 1926) было посвящено исследованию оз. Орок-Нор и раскопкам древнего монастыря в урочище Олун-сумэ на р. Онгин-гол.
Научные результаты экспедиции были значительными. Было пройдено маршрутно-глазомерной съёмкой с опорой на астрономические пункты 3500 км, исследован ряд озёр с измерением их глубин и собрана водная флора и фауна. Проводились метеорологические наблюдения (во время стоянок в горах Ноин-Ула, в Хангае, в Гоби и низовьях Эдзин-гола). Собрано 750 видов растений, добыто 60 видов млекопитающих, 350 видов птиц, большое кол-во пресмыкающихся и более 2000 насекомых. Собраны коллекция горных пород и богатый палеонтологический материал. В бассейне Орхона открыт крупный водопад Уланцету (Экспедиции), единственный в Монголии. Главное достижение экспедиции – раскопки древних гуннских могильников в Ноинулинских горах в 1924-1925 гг.
Исследователи обнаружили в ущелье Суцзуктэ и в нескольких соседних целый древний некрополь. Погребения относились к Ханьской эпохе (III – I века до н.э.) и принадлежали гуннам или хуннам – кочевому народу, вторгшемуся в IV веке из Азии в Восточную Европу. В результате раскопок в погребальных камерах были обнаружены войлочные ковры с изображением мифических животных (в «зверином стиле»), ткани с тончайшими, художественно исполненными рисунками, человеческие косы из чёрных волос в шёлковых футлярах, сёдла, керамические и бронзовые изделия и др. вещи. Посланные в Академию наук Козловым предварительные отчёты о находках вызвали огромный интерес, в помощь Козлову было отправить специалистов-археологов Г.И. Боровко (из Государственного Эрмитажа) и С.А. Теплоухова (из Государственного Русского музея).