Ему было поручено совершить путешествие из Русского Туркестана через страны Центральной Азии в Северный Китай, дойдя до Пекина. Целью этой экспедиции было обследование пограничных районов между Китаем и Российской империей, которые могли в будущем стать театром военных действий. Эта задача была напрямую связана с серьезными неудачами России в недавней войне с Японией. Пройдя по пограничным провинциям Китая, полковник Маннергейм должен был ознакомиться с подготовкой обороны страны, обучением войск, выяснить, как относится коренное население к России, насколько в этих местах заметно японское влияние.
В качестве специального оборудования Маннергейм взял с собой английский фотоаппарат «Кодак» с двумя тысячами стеклянных фотографических пластинок, чтобы делать фотографии по пути следования экспедиции.
Чтобы скрыть военный характер своей миссии, Маннергейм выдавал себя за шведского подданного, занимающегося этнографическими исследованиями.
Из Самарканда он с двумя казаками отправился в Андижан и Ош, где закупил все необходимое для путешествия, а также приобрел вьючных лошадей.
Маннергейм преодолел самые непроходимые районы Центральной Азии, составив подробные карты своего маршрута со специальными пометками — где они могут быть преодолены воинскими частями, где придется совершать обходные маневры. Иногда он совершал в одиночку переходы по сотне верст, отделяясь от основного состава экспедиции, только для того, чтобы нанести на свои карты еще одну горную вершину или перевал.
Добравшись до границ Китая, Карл Маннергейм записал свои впечатления об этой удивительной стране. Позднее эти записки были изданы отдельной книгой. В частности, в Китае он встретил далай-ламу, духовного главу Тибета, находившегося в китайском плену.
Далай-лама охотно согласился принять русского путешественника, поскольку испытывал большой интерес к России.
По неподтвержденным сведениям, во время этой встречи далай-лама подарил полковнику некий священный предмет, который Маннергейм впоследствии берег как зеницу ока.
Маннергейм долго говорил с далай-ламой, тот произвел на офицера русской армии чрезвычайно сильное впечатление.