Его первое путешествие началось со ссылки в Сибирь, которая последовала за участие в студенческих волнениях и после отчисления из Петербургского университета. А дальше пошли уже настоящие экспедиции, проводившиеся по поручению Географического общества: на озеро Зайсан и хребет Тарбагатай в 1863 – 1864 гг., в Северо-Западную Монголию в 1876 – 1880 гг., через пять лет в Северный Китай и Восточный Тибет, в 90-е гг. в Центральную Монголию и на Большой Хинган. В целом он внес много нового в географическое и этнографическое изучение малоисследованных районов Сибири, Монголии и Китая. Собрал обширные сведения по географии, культуре и народному быту, а также составил самый подробный гербарий растений Центральной Азии и богатые зоологические коллекции. Высокий авторитет среди географов и путешественников, глубокие научные познания позволили Потанину организовать в 1908 г. общество по изучению Сибири. Ему была присуждена Большая золотая медаль РГО, его именем назван горный хребет в Наньшане, ледник на Алтае, ряд растений.
Г. Н. Потанин был также склонен к рисованию и живописи. Ему приходилось много путешествовать с художниками. Общение с ними развивало его кругозор, и он глубже понимал их картины, краски, оттенки, светотени. Доводилось и самому делать зарисовки, проникаться красотой неповторимых пейзажей Средней Азии.