1856 жылы Қырғыз елін зерттеу экспедициясына қатысады. Қырғыздар мен Ұлы жүз қазақтарының тарихы, этнографиясы туралы мәліметтер жинап, ауыз әдебиеті нұсқаларын жазып алады. Қырғыз халқының "Манас" жырын бірінші рет баспаға ұсынып, жоғары бағалайды. 

   1857 жылы 2 ақпанда Орыс географиялық қоғамның толық мүшесі болып сайланады. 1858-1859 жылдары Қашқарияға саяхат жасап, дүниежүзілік ғылымға зор үлесін қосады. 1859-1861 жылдары шығармашылық қызметпен айналысып, Перербург университетінде дәріс тындайды. 1861-1863 жылдары денсаулығы нашарлаған Ш.Уәлиханов туған елінде болады. 1863-1864 жылдары Сібір қазақтары үшін жасалып жатқан Сот реформасы (басқару) дайындау ісіне қатысады. Шоқан Уәлиханов - әр алуан ғылым саласын меңгерген энциклопедист ғалым. География, әдебиет, этнография, тарих, экономика, құқық, дін т.б. салада құнды мұра қалдырды. Ұлт руханият білгірлікпен жинап, терең зерттеген Шоқан Уәлиханов еңбектері негізінде Бұқар жыраудың кейбір толғаулары бүгінгі күнге жетті. "Жырау" сөзінің мән-мағынансын зерделеді. "Абылай", "Қазақ шежіресі", "XVIII ғасыр батырлары туралы тарихи аңыз-әңгімелер" т.б. ғылыми еңбектері қазақтың хандық дәуірін тануда ерекше маңызға ие. Алаштың айбынды ханы Абылайдың тарихи қызметінің халық мұрасында айрықша суреттелуін "Қазақтың аңыз-жырларында Абылай есімі өте бір әсерлі мәнге ие болған. Жұрт Абылай дәуірін қазақ қаһармандығының кемелдеген тұсы деп сезінеді. Абылай жорықтары, батырлардың ерлігі тұрмысттық-салттық дастандардың арқауына айналған" деп бағалайды. Ұлт тізгінін берік ұстаған Абылай ханның ерлікке толы  алтын дәуірін Шоқан жаңа ғасыр рухына сай "Халықтың кемеліне келіп өркендеуі үшін азаттық пен білім керек" деген ұлағатымен тарихи санада жаңғыртты.