XVI ғасырдан бастап Қазақстан туралы географиялық мәліметтер орыс мемлекетінің ресми орындарынада жинақтала бастады. Ресей мен Қазақстан арасында дипломатиялық, экономикалық байланыстардың орнауына байланысты патша үкіметі қазақ жері туралы деректерді арнайы жіберілген елшіліктер арқылы да жиналады. Осылардың нәтижесінде Қазақстан табиғаты , халқы, мемлекеттік шекаралары жайында деректер толыға түсті. Сол мәліметтерге сүйеніп, Борис Гордуновпатшаның өтініші бойынша Қадірғали Қосынұлы Жалаири (XVIғ аяғы мен – XVIIғ. басы) («Жами-ат-тауарих») «Жылнамалар жинағы» атты қазақ халқы мен оның жері туралы өте қызықты кітап дүнйеге келді. Онда қазақ хандығы құрылуы жайлы тарихымен қоса, Қазақстан қалалары, өзнедері мен таулары, шекаралары жөнінде кең мәәліметтер берілді. XVII ғасырда Қазақстан аумағы С.Ремезов жасған «Сібірдің сызба кітабы» атты картаға кіреді.
XVIIІ ғасырда орыс патшасы І Петр Қазақстанмен қарым-қатынасты күшейтуге ерекше көңіл бөлді. Қазақстан жерін Шығыс елдеріне шығатын «қақпа мен кілт» санады. Оны Ресейге бағындырудың жоспарларын жасады. Осыған орай ол Қазақстанға әскери экспидициялар жасақтап, Каспий теңізі мен Сібірмен шекаралас өлкелерді зерттеуге тапсырма берді. 1734 ж Орынбор экспидициясы ұйымдастырылды. 1768 ж екінші акдемиялық экспидиция жасақталды.
Бұлардың жұмысына П.С.Паллас, И.П.Фалк,И.П.Рычков сияқты ғалымдар қатысты. И.Муравин мен И.П.Бутаков Арал теңізі мен Сырдария бойында, Г.Р.Карелин Каспий жағалауларында зерттеулер жүргізді. Қазақ жері жалпы географиялық тұрғыда зерттеген бұл ғалмыдардың еңбектерінде, жаңа дерегтермен қоса табиғаттың қаплыптасу заңдылоықтарын түсіндіругеде алғашқы талаптар жасалды. Осы және басқа материялдарды жинақтау негізінде А.И. Левшин 1832 ж «Қырғыз-Қазақ немесе Қырғыз-Қайсақ ордалары мен далаларының сипатамасы» атты еңбегін жазды. Мұнда Қазақстан жеріне тұңғыш рет салыстырмалы түрде толығырақ географиялық сипаттама берілді.
Қазақстан табиғатын шын мағынасында ғылыми-географиялывқ тұрғыда зерттеу ХІХ ғасырдың екінші жартысынан басталды. Бұл тұрғыда П.П Семено Тянь-Шаньскийдің, Н.А.Северцовтың, Ш.Ш Уалихановтың, И.В Мушкетовтың,А.Н.Красновтың,Л.С. Бергтің сіңірген еңбектері айрықша.
П.П.Семенов Тянь-Шаньский (1827-1914 жж) –еуропалық ғалымдардың ішінде Тянь-Шань тауын зерттеген алғашқылардың бірі. 1856-1857 жылдары ол Орталық және Солтүстік Тянь-Шаньға бірнеше экспидиция жасап, Хантәңірі шыңының бөктеріне дейін жеткен. Соның нәтижесінде ол биік таудағы қар белдеуінің биіктігін, ондағы мұздықтарды анықтап, бұл тау жүйесінде жанартау құбылыстарының жоқтығын дәлелдеді. Сол кезде Еуропа ғылымында қалыптасқан Тянь-Шань жанартау әрекеті нәтижесінде пайда болған деген ұғымды теріске шығарды. Ол Тянь-Шань тауларының бітімі мен геологиясын ақатысты бақылаулар жасады. Осы саладағы ұлы еңбегі үшін ғалым Семенов- Тянь-Шаньски деген атаққа ие болды.
Н.А. Северцовтің (1827-1885жж) Қазақстандағы зертеу жұмыстары П.П.Семеновтың Тянь-Шаньды зерттумен тұтас келді. Ол әуелде Арал теңізі мен СырдарияныңТөменгі сағасына сапар шекті. Одан соң Тянь-Шаньда, Жетісу, Қызылқұм, Қаратау өңірлерінде зерттеу-бақылау жұмыстарын жүргізді. Үстірт пен Мұғалжарды зерттеді. Осы зерттеулер нәтижесінде Н.А.Северцов Қазақстан жерінде жануарлардың таралуы жайында ғылыми ой-пікірлерді кеңейтті. Жануарлардың өсіп-өнуі мен таралуына физикалық-географиялық жағдайлардың әсер ететінін дәлелдеді. Таулы өлкелердің геологиясы мен қалыптасу тарихына назар аударды. Ғалымның табиғат компоненттерінің өзара байланысы және сабақтастығы туралы идеясы географиялық экологиялық бағыттың дамуына жол ашты.
И.В Мушкетов (1850-1902 жж) тамаша геолог болуымен қатар, физикалық география саласындағы ірі маман еді.Оның геологиялық зерттеулері физикалық географияныңкөп мәселелерін шешуге, табиғат құбылыстарының пайда болуы мен заңдылығын анықтауға көмектесті.
1875-1876 ж И.В Мушкетов Тянь-Шаньның солтүстігімен Жетісу (Жоңғар) Алатауына үлкен саяхат жасап, Әулиеата (қазіргі Тараз) қаласының маңын,Александр жотасын, Сусамыр өзенінің алқабын, Боаш шатқалын, Ыстықкөлді зертейді. Сонымен қатар Ілені, Күнгей және Теріскей Алатауды бірнеше жерден басып өткен.
И.В Мушкетов Орта Азияның физикалық географиясы мен геоглогиясына арналған «Түркістан» (1886-1906жж) деген еңбегінде жазды. «Түркістан немесе Түркістан бассейні деген атпен-деп жазды автор, -мен Азия материгінің батысында Мұғалжар таулары мен Үстірттен бастап, шығысында Жетісу Алатауында, Тянь-Шаньға және Памирге дейінгі, оңтүстігінде Копетдагтан және Хорасан тауларынан бастап, солтүстігінде Шыңғыстау және Арал- Ертіс суайрығына дейінгі ұлан-ғайыр кеңістікті алып жатқан байтақ өлкені түсінемін. »
И.В Мушкетовтың Түркістан монографиясының негізгі бөлігі Тянь-Шань тауларының жүйесін, оның мұз басуын, сондай-ақ тау етектеріндегі жазық жерлер мен жота аралық аңғарлар мен ойыстарда сары (лесс) топырақтары және саздақ балшықты жерлердің пайда боуындағы метеорологиялық жағдайын зерттейді. Сонымен бірге шекараларын анықтап,алғашқы геоглогиялық картасын (1881 ж)жасады. Ғалым А.Гумбольдтың Тянь-Шаньда вулкандық құбылыс бар деген көзқарасын теріске шығарып,өз деректерін келтіреді. Сонымен бірге 1887 ж Верныйда (Алматы) болған жер сілкінудің себептері мен шөлді аудандардағы жел әрекеті туралы құнды деректер жинақтады.
А.Краснов (1862-1914жж) негізінен Тянь-Шань тау жүйесі мен Балқаш көлі маңындағы шөлді аймақтың өсімдіктер жамылғысын зерттеді. Ол топырақ пен өсімдік арасындағы байланысты анықтап, физикалық-географиялық жағдайлардың өсімдіктерге тигізетін әсерін, әсіресе,мұз басқан жерлердегі өсімдіктер брйындағы өзгерістерді анықтады. Тянь-Шань өсімдіктерін еуропалық түрлермен салыстырып, олардың қалыптасу тарихы мен дамуын сипаттап жазды.
Л.С.Берг (1867-1950жж) еңбектені де табиғат құбылыстарын тұтас бірлікте алып қараумен ерекшеленеді. Қазақстан жеріндегі зерттеу қызметін әуелде Солтүстік Қазақстанның тұзды көлдерін (Теке, Қызылқақ,Сілетітеңіз) бақылаудан бастаған. Ол 1900-1903 жж Арал теңізін мұқият зерттеді. Аралға таяу Қызылққұмды,Арал маңы Қарақұмын,Үлкен және Кіші Борсық құмдарын аралап көрді. Оның «Арал теңізі» (1908ж) атты еңбегінде теңіз бен оның айналасындағы жерлердің жер бедері, геологиялық тарихи, гидрологиясы, жануарлар дүниесі мен өсімдіктері жан-жақты сипатталады. Осы және басқа зерттеулердің нәтижесіне сүйеніп, Л.С.Берг Қазақстан аумағын ландшафтылық аймақтарға және морфологиялық обылыстарға бөлді. Батыс Сібір ойпаты, Торғай далалық өңірі, Түркістан ойпаты, Үстірт, Тянь-Шань жүйесі,Қазақстанның қатпарлы өлкесі (Сарыарқа),Орал тау жүйесі, Алтай-Саян тау жүйесі сияқты географиялық обылыстар Берг еңбектерінде дәлелденіп берілген.
ХІХ ғ екінші жартысында басталған табиғатты физикалық-географиялық тұрғысында тұтас зерттеу жұмысы ХХ ғ. Бас кезінде де жалғасты. Бұл кезде Сібір темір жолының Қазақстандық бөлігі бойында (Солтүстік Қазақстан) Қоныс аудару басқармасының ұйымдастыруымен Ақмола,Торғай,Жетісу обылыстарында зерттеу жұмыстары жүргізілді. В.А.Обручев пен В.В.Сапожников Жетісу мен Тянь-Шаньды, Н.И.Андрусов Маңғыстау түбегін, С.С. НеуструевЖер қабатының қалыптасуындағы негізгі заңдылықтар және Оңтүстік Қазақстандағы топырақтардың негізгі типтерін сипаттауға үлес қосты. Осылардың еңбектері негізінде физикалық-географиялық аумақтың мәселелерімен қоса халық шаруашылығы үшін пайдалы қолтаңбалы міндеттерді шешуге де мүмкіндік туады.