Начиная с XVI века, географические сведения о Казахстане стали обобщаться в официальных учреждениях Российского государства. В связи с установлением казахско-русских посольских связей царская власть начала собирать сведения о казахской земле через послов, купцов и путешественников В результате стали появляться новые данные о природе, народе и границах Казахстана. Используя эти сведения казах Кадыргали Жалаири (конец XVI-начало XVII вв.) по просьбе царя Бориса Годунова создал первый дошедший до нас исторический труд — «Сборник летописей» («Джами ат-таварих»). Этот сборник, кроме сведений об истории образования Казахского ханства, содержал обширную информацию о городах, реках, горах и границах Казахстана.
В конце XVII века все картографические материалы о Казахстане и Средней Азии были обобщены выдающимся русским ученым С. Ремезовым. Итогом работы ученого стала «Чертежная книга Сибири», содержащая историко-географические сведения о территории Казахстана.
В XVIII веке Петр I обращает особое внимание на взаимоотношения России с Казахстаном. Он считал территорию Казахстана «ключом и воратами всем азиатским странам и землям» и строил планы подчинения его России. В связи с этим царь, снарядив воинские экспедиции в Казахстан, дает
задание исследовать Каспийское море и окраины Сибири. В 1734 году была организована Оренбургская экспедиция, а в 1768 году — вторая академическая экспедиция. Выдающиеся ученые того времени П. С. Паллас, И. П. Фальк, П. И. Рынков и др. участвовали в работе этой экспедиции. И. Муравин и А. И. Бутаков провели исследования Аральского моря и низовий Сырдарии, Г. С. Карелин — побережья Каспийского моря. В трудах этих ученых, впервые исследовавших казахскую землю в географическом аспекте и описавших ее, даются научные объяснения особенностей природы этого края. На основе обобщения этих и других сведений русский ученый А. И. Левишн в 1832 году написал книгу под названием «Описание киргиз-казачьих, или киргиз-кайсацких, орд и степей». В ней впервые была дана достоверная географическая характеристика казахстанской земли.
Научные географические исследования природы Казахстана начинаются во второй половине XIX века. Результатами этих экспедиций стали труды П. П. Семенова-Тян-Шанского, Н. А. Северцова, Ш. Ш. Уалиханова, И. В. Мушкетова, А. Н. Краснова, Л. С. Берга и др. которые имели особое значение для развития географической мысли того времени.
П. П. Семенов-Тян-Шанский(1827-1914) — выдающийся русский географ, один из первых европейских ученых, исследовавших Тянь-Шань. В 1856-1857 годах совершил несколько экспедиций в Северный и Центральный Тянь-Шань, открыл ряд ледников, дошел до подножья пика Хан-Тенгри. Ученый опроверг ранее существовавшее представление о вулканическом происхождении этих гор и подробно описал их геологическую историю. Семенов доказал, что Тянь-Шаню присущи высотные пояса растительности. Ученому удалось собрать богатейшие коллекции горных пород растений и насекомых, исследовать горные перевалы, определить высоту снеговой линии в горах. За значительный вклад в изучение Тянь-Шаня к фамилии ученого было добавлено название этой горной системы.
Н. А. Северцов (1827-1885). Начало исследований этого ученого в Казахстане совпадает с экспедициями П. П. Семенова на Тянь-Шань. Н. А. Северцов совершил поездку в Приаралье и низовье Сырдарии. В 1864 году исследует западные и северные отроги Тянь-Шаня, Жетысу, Кызылкум, Каратау, Устюрт и Мугоджары. Северцов составил карту этих мест и описал их рельеф, природу, климат, растительный и животный мир. В результате своих исследований он выявил закономерность влияния физико-географических условий на развитие животного и растительного мира. Северцов расширил знания о взаимозависимости и преемственности природных компонентов, что послужило толчком к развитию экологического направления в географии.
И. В. Мушкетов (1850—1902) — выдающий русский геолог и путешественник. Его исследования помогли установить закономерности и причины возникновения многих природных явлений. Например, И. В. Мушкетовым выдвигалась гипотеза о постепенном изменении климата в сторону усыхания и усиления деятельности пустынной денудации и в том числе — ветра.
В 1875 г. он совершил большое путешествие по северной части Тянь-Шаня и Жунгарского Алатау, исследовал окрестности города Аулие-Ата (ныне г. Тараз), Александровский хребет, долину реки Сусамыр, Боамское ущелье, озеро Иссык-Куль, пересек в нескольких местах Заи-лийский, Кунгей и Терскей Алатау. Мушкетов тщательно исследовал геолого-географическую структуру Туркестанского края и составил его первую геологическую карту.
«Под именем Туркестана, или Туркестанского бассейна, — писал автор, — я разумею обширную площадь материка Азии, простирающуюся от Мугоджарских гор и Устюрта на западе до Джунгарского Алатау, Тянь-Шаня и Памира на востоке; от Кюрень-тага, или Копеттага, и гор Хорасанских на юге до Тарбагатая, Чингиз-тау и Арало-Иртышского водораздела на севере».
Наметив в общих чертах состояние бывших в недавнем геологическом прошлом обширных внутренних морей всей Центральной Азии и Туркестана и указав на существующую непосредственную их связь, Мушкетов намечает подразделения Туркестанского бассейна и выясняет основания для подразделения окружающих его хребтов.
И. В. Мушкетов исследовал Тянь-Шань, оледенение, образование распределение лесов и лесовидных суглинков, покрывающих предгорные равнины и межгорные впадины. Ученый приводит свои данные, подтверждающие ошибочность взглядов А. Гумбольдта о вулканизме в Тянь-Шане.
Ученый собрал ценные сведения о причинах землетрясения в Верном (Алматы) в 1887 году и об ураганных ветрах в пустынных районах.
А. Н. Краснов (1862-1914) в основном исследовал растительность пустынных зон предгорий Тянь-Шаня и побережья озера Балхаш. Он установил зависимость между
плодородием почвы и ростом растений и доказал, что физико-географические условия влияют на рост и развитие растений, особенно в условиях мерзлоты. Ученый создал методический комплекс зонального районирования. Сравнивая растения Тянь-Шаня с их европейскими видами, описал историю их развития.
Л. С. Берг (1876-1950) известный географ-натуралист. Свою деятельность в Казахстане начал с исследования соленых озер Теке, Кызылкак, Селетытениз. В 1900-1903 годах он участвовал в Аральской экспедиции, описал типы берегов Арала и пустынные формы Приаралья, прибрежные пески — Кызылкум, Каракумы, Большие и Малые Барсуки. В монографии «Аральское море» (1908) Берг дал полные физико-географические характеристики моря: привел данные о площади моря, его глубине, течениях, солености, температуре воды, животном и растительном мире. Используя результаты этих и других исследований, Л. С. Берг проанализировал взаимозависимость природных компонентов и разделил территорию Казахстана на ландшафтные зоны и морфологические области. Впервые в географической литературе выделил Туранскую низменность и Сарыарку как отдельную геоморфологическую зону. В трудах Берга такие географические области, как Западно-Сибирская и Туранская низменности, плато Устюрт, Казахский мелкосопочник, Тянь-Шаньская, Алтайская и Саянская горные системы описаны подробно и с научной достоверностью.
Начатые во второй половине XIX века географические исследования природы продолжались и в начале нового столетия. Переселенческим управлением были организованы экспедиции на территориях Акмолинской, Тургайской, Жетысуйской областей. В этих исследованиях принимали участие В. А. Обручев и В. В. Сапожников в Жунгарии и на Тянь-Шане, Н. И. Андрусов в Мангышлаке, С. С. Неуструев в Южном Казахстане. Благодаря им были определены главные закономерности в строении почвенного покрова и описаны основные типы почв Южного Казахстана.