1839-ben Reguly a jogi tanulmányainak befejeztével nyugat-európai utazásra indult. Kezdeti tervei szerint cseh és német városokat akart bejárni, ezután Dániát és Svédországot kívánta megismerni, akkor azonban még maga sem gondolta, hogy a mindössze néhány hónapra tervezett külföldi tartózkodásából csak nyolc év múlva tér haza újra Magyarországra. Reguly sorsának alakulásában döntő eseménynek bizonyult, hogy Stockholmban találkozott Adolf Ivar Arwidsson finn tudóssal, aki felhívta a figyelmét a lehetséges finnugor nyelvrokonság kérdésére. Az ifjú magyar elhatározta, hogy a nyelvi vizsgálódásoknak fogja szentelni az életét, hozzáfogott a téma tanulmányozásához, majd Arwidsson biztatására Finnországba indult. 1839. november 8-án lépett finn földre, ahol másfél esztendőt töltött. Ez idő alatt beutazta az országot, elsajátította a finn és a svéd nyelvet, szakirodalmakat olvasott, megismerkedett a finn népköltészettel, valamint folklórgyűjtést is végzett. Tudományos tervei finnországi tartózkodása idején alakultak ki. Reguly – akit időközben a Finn Irodalmi Társaság levelező tagjává választottak – arra a következtetésre jutott, hogy nyelvünk legközelebbi rokonságát a keleti finnugor nyelvek körében kell keresnie. Mivel szeretett volna minél többet megtudni ezekről a nyelvekről, ezért a korabeli oroszországi tudományos élet központja, Szentpétervár felé vette az irányt.

Szentpéterváron Reguly az orosz nyelv tanulásával egyidejűleg a mordvin, a mari és a komi nyelv megismeréséhez is hozzákezdett, mindemellett számos tudományágban képezte magát. Egyik legjelentősebb helyi pártfogója és tanítómestere Karl Baer akadémikus volt, aki a városban sok tudósnak és közéleti személyiségnek bemutatta a jó kiállású, finom műveltségű magyar fiatalembert. Baer vetette fel Regulynak, hogy az obi-ugor népek nyelvét és kultúráját érdemes volna a helyszínen tanulmányoznia. Kör­vonalazódó uráli és nyugat-szibériai expedícióját az oroszországi tudományos körök támogatták volna, Reguly azonban nem fogadta el a segítségüket, mivel mindenképpen magyar megbízatásból kívánta megvalósítani az elképzeléseit. 1841. június 11-től 1843 őszéig időzött Szentpéterváron, miközben tervei és reményei mellett állandó kétségek és anyagi nehézségek gyötörték. Munkájának új lendületet a Magyar Tudományos Akadémiától érkező támogatás híre adott. A pénzbeli segítséget viszont Reguly csak jóval később, részletekben kapta meg, így 1843. szeptember 29-én, a támogatás ígéretével és pártfogóinak személyes kölcsöneivel indult el az Urál hegység irányába Moszkva, Nyizsnyij Novgorod és Kazany városok érintésével.

Reguly szűkebb értelemben vett uráli és nyugat-szibériai utazása – amelynek kiindulási és végpontja egyaránt Perm városa volt – 1843. november 7-én vette kezdetét, és 1845. március 12-ig tartott. Miután Szentpétervárról megérkezett Permbe, ahol közel egy hétig tartózkodott, Reguly részletesen tanulmányozta a Permi Kormányzóság földrajzi és etnikai viszonyait. Munkáját nagyban segítette, hogy a kormányzó személyes vendége volt, és az ismeretség révén értékes geográfiai anyagokhoz, valamint a kormányzóság területét bemutató igazgatási térképhez jutott hozzá. Permből Uszoljéba utazott tovább, itt négy napot töltött Volegov úrnál, a híres sztroganovi sófőzés igazgatójánál, akitől földrajzinév-jegyzékeket és különféle etnográfiai térképeket kapott. Rövid szolikamszki tartózkodás után a Jajva és a Koszva folyók keresztezésével elindult az Urál felé, majd Pavda településre érkezve első ízben kelt át a hegyláncon. Innen egészen a Tura folyó partjáig, Verhoturjéig jutott, ezután az Urál keleti oldalán északi irányban haladt tovább.

1843. december 4-én érkezett meg első jelentősebb uráli állomáshelyére, Vszevolodo-Blagodatszkojéba, ahol közel három hónapig maradt. Itt kezdte meg manysi tanulmányait, amelyben két őslakos férfi, Bahtyijár és Jurkina volt a segítségére. Bahtyijár a későbbiek folyamán is Reguly szolgálatában állt. Reguly a településen nyelvészeti, néprajzi és földrajzi munkálatokkal foglalkozott, koponyákat gyűjtött, továbbá antropológiai vizsgálatainak keretében gipszlenyomatokat készített az őslakosok fejéről és mellkasáról. Vszevolodo-­Blagodatszkojét elhagyva déli irányba indult el, majd Bogoszlovszkon és Verhoturjén át 1844. február 24-én megérkezett Irbitbe. Egyhetes irbiti tartózkodása idején megtekintette a város nevezetes vásárát, és a távoli vidékekről odasereglett kereskedőktől számos információt tudott meg. Március 1-jén kelet felé folytatta az útját, és a Tavda folyó mentén a Szibéria korabeli fővárosaként emlegetett Tobolszkba ért, és töltött el tíz napot.

Március 16-án Reguly északnak vette az irányt, és először az Irtis vizén hajózva, azután a Konda folyó medencéjén átutazva megérkezett Pelim településre, ahol egészen a tavaszi olvadásig időzött. Itt is fáradhatatlanul dolgozott: folytatta földrajzi és etnográfiai munkáit, népköltészeti anyagokat gyűjtött, valamint kisebb kirándulásokat tett a környéken. Reguly június 12-én hagyta el a települést. Csónakkal felment a Pelim folyó felső szakaszához, ahonnan a nehezen járható mocsárvidékeken keresztül az őslakos kísérőivel együtt gyalog érte el az Északi-Szoszva medencéjét, majd a Tapszuj és a Ljapin folyókon ismét csónakkal haladt tovább. Augusztus elején újra az uráli vonulatok felé igyekezett. A hegylánc keleti előterében hideg, viharos időjárás nehezítette az előrehaladását. Reguly ezen a vidéken már rénszarvasszánon utazott a helyi nomádok kíséretében. Szeptember elején az uráli hegylánc legmagasabb csúcsainak vidékét kutatta, ezt követően a manysi őslakosok társaságában először északra, majd kelet felé haladt. Szeptember 26-án érte el az Ob folyót, amelyen erős vihar közepette kelt át, és jutott el Obdorszkba, a helyi kereskedelem és adminisztráció egyik fontos településére.

Kéthetes obdorszki időzés után Reguly újra útnak indult, megint átkelt az Obon, és szánon közlekedve a tengerparti területekhez utazott. Október 18-án a Kara folyó torkolatánál járt, három nappal később a Paj-Hoj dombvidék keleti oldala mentén elérte a Jugor-félszigetet és a Vajgacs-szigetet elválasztó Jugorszkij Sar tengerszorost, oroszországi utazásának legészakibb pontját. Itt megfordult, és a dombvidék nyugati oldalán folytatta az útját. November 2-án már az Usza folyó partjánál volt, majd a Lahorta-hágón nyugati irányból átszelte a Sarki-Urált, és közeledett az Obhoz. Öt napig tartózkodott az Ob partján fekvő Muzsiban, azután november 12-én megérkezett téli szálláshelyére, Berjozovóba.

Reguly Berjozovóban főként a hanti nyelvet és kultúrát tanulmányozta, hősénekeket jegyzett fel, és a korábban összegyűjtött földrajzi anyagait is rendszerezte. Berjozovót elhagyva az Északi-Szoszva és a Manja folyók vidékén át először nyugat felé, majd déli irányban Vszevolodo-Blagodatszkoje, Bogoszlovszk és Verhoturje érintésével ment tovább az általa már jól ismert úton. A további útvonala Szerebrjankán, Nyizsnyij Tagilon és Jeka­tyerinburgon keresztül vezetett, végül 1845. március 12-én érkezett vissza Permbe, és ezzel befejezte utazásának uráli és nyugat-szibériai szakaszát.

Reguly uráli terepmunkájának legfőbb célja a nyelvészeti és néprajzi adatgyűjtés volt, ezen kívül azonban még térképezéssel is foglalkozott, a helyszínen terepi vázlatokat állított össze. Ezek megrajzolását Reguly két okból is szükségesnek látta. Egyrészt a terepen mozogva nagyon hamar szembesült az uráli területekről addig megjelent térképek hiányosságaival, pontatlanságaival, és mindezeket javítani kívánta. Másrészt – és ami a legfontosabb – az általa feljegyzett nyelvészeti és néprajzi információkat igyekezett a földrajzi térben is elhelyezni, márpedig ennek leglátványosabb formája a térkép.

Reguly a térképezést mérőeszközök nélkül, mindössze szemmérték szerint, a terepi objektumok egymáshoz képest történő felvételezésével végezte. A földrajzi adatokat részben a saját megfigyelései alapján, részben a helyi lakosok közléseire támaszkodva jegyezte fel. Az adatgyűjtés eredményességéhez nagyban hozzájárultak Reguly egyéni képességei és jellembeli tulajdonságai, valamint az a tény, hogy ő nem gyarmatosító szándékkal érkezett. Szorgalmának és kivételes nyelvérzékének köszönhetően mindenütt könnyedén meg tudta magát értetni a helyiekkel. Kiváló kapcsolatteremtő képességéből eredően gyorsan elnyerte az őslakosok bizalmát, akik készségesen osztottak meg vele minden információt, és amiben csak tudtak, a segítségére voltak. Reguly első kézből származó topográfiai információkat hozott az európai ember számára addig jórészt ismeretlen észak-uráli vidékekről, térképvázlataira pedig nagy mennyiségben vett fel földrajzi neveket. Reguly térképes névgyűjtése igazi értékmentő munka, mivel az adatközlői révén a terepelemek elnevezéseit sok esetben olyan nyelveken rögzítette, amelyek akkoriban még nem rendelkeztek írásbeliséggel. A nevek csupán szájhagyomány útján terjedtek, így jóval gyorsabban kikerülhettek a köztudatból.

Reguly 1845 tavaszán Permből visszaindult Kazanyba. A kedvezően alakuló anyagi helyzete lehetőséget kínált a mordvin, a mari és a csuvas nyelv vizsgálatára. Mari nyelvi tanulmányait a rajfai kolostorban kezdte meg, ősszel pedig a mordvin nép kutatására indult. Télre Kazanyba visszatérve folytatta csuvasokkal kapcsolatos munkáit, a tavaszt viszont már a hegyi marik között töltötte. A Volga-vidéki népek körében gyűjtött gazdag nyelvészeti anyag és rendezett jegyzetek birtokában 1846. augusztus 25-én érkezett vissza Szentpétervárra.

A cári orosz fővárosban Reguly közel egy hónapot időzött a pártját fogó honfitársánál, Balugyánszky Mihály államtanácsosnál. Már készen állt tovább folytatni az útját Magyarország felé, amikor a szentpétervári tudományos körök részéről Peter Köppen és Friedrich Struve akadémikusok – az előző évben megalakult Orosz Földrajzi Társaság képviseletében – felkérték, hogy maradjon még a városban, és az utazása során gyűjtött földrajzi anyagokat dolgozza fel náluk. A tudósok azzal érveltek, hogy más országban a munkájához szükséges segítség hiányozna, másrészt az uráli vidékek ismerete sehol nem találhat nagyobb érdeklődésre, mint a korabeli oroszországi tudományos élet fellegvárának számító Szentpéterváron. Reguly belátta, ha rögvest elhagyja Oroszországot, akkor a nyelvészeti feladatai miatt még hosszú ideig nem lesz alkalma arra, hogy a geográfiai munkáival foglalkozzon, ezért elfogadta a felkérést. Hazatérését későbbre halasztotta, és hozzáfogott a feldolgozási munkálatokhoz. Ennek eredményeként készült el az Urál északi vidékeit bemutató első részletes térkép, valamint a Köppen akadémikusnak írt, 1847. január 21-én keltezett levél, amely valóságos tudományos tanulmány, és a kéziratos térképhez fűződő magyarázatokat tartalmazza.

Reguly 1847 februárjától – miután az akkoriban az Orosz Birodalomhoz tartozó Lengyel Nagyhercegségen keresztül megérkezett – több hónapot töltött a sziléziai Gräfenbergben és a hegy túloldalán, Freiwaldauban, hogy megtépázott egészségét helyrehozza. Hosszú utazásai után 1847 szeptemberében tért először haza a szüleihez, ezt követően pedig több alkalommal is németországi gyógyfürdőket keresett fel. Távollétében a Magyar Tudományos Akadémia novemberi ülésén bemutatták az általa gyűjtött tárgyakat. Az anyag a Nemzeti Múzeumba került, ahol az 1872-ben megalakuló Néprajzi Tár, a mai Néprajzi Múzeum elődjének alapjait vetette meg. 1848 júniusában Eötvös József kultuszminiszter Regulyt – ugyancsak távol­létében – kinevezte a pesti Egyetemi Könyvtár első őrévé. A szabadságharc leverése után a döntést átmenetileg érvénytelenítették, ezért csak 1850 január­jában foglalta el az állását.

Itthon Reguly a várakozások ellenére nem fogott hozzá azonnal a gyűjtött nyelvészeti anyagának feldolgozásához, hanem újabb kutatásokat végzett. Az 1850. szeptember 16-án megrendezett akadémiai székfoglalóját a dzsungár nép magyarral való állítólagos rokonságának cáfolatáról tartotta, ám a finnugor nyelvrokonság kérdéséről itt sem nyilatkozott. Reguly a finnugor népek és nyelvek mindegyikét azonos módszerrel kívánta vizsgálni, hogy saját tapasztalatai útján és alapos áttekintést követően foglaljon állást. Ezért végzett antropológiai tanulmányokat, tanult meg fényképezni, valamint továbbra is foglalkoztatta a földrajz és a térképészet.

1856 őszén, rendes évi szabadsága idejében végigutazta a Duna mentét a Nürnberg–Regensburg–Linz–Bécs–Pozsony–Pest-útvonalon. Mindent alaposan megnézett, művészeti, antropológiai, térképészeti jegyzeteket készített. 1857. augusztus 31-től október 10-ig Palócföldön végzett részletes kutatásokat. Az erről az útjáról származó feljegyzései a palóckutatás értékes forrásai, egyszersmind a magyar néprajztudomány kialakulásának egyik fontos dokumentuma.

Reguly ezután hozzálátott manysi anyagának rendezéséhez. A feldolgozást az 1858. augusztus 23-án – mindössze 39 esztendős korában – váratlanul bekövetkezett halála szakította félbe. Regulyt a fővárosban helyezték végső nyugalomra. Emlékezete napjainkban is jelentős: számos intézmény névadója, valamint az Urálban egy 1711 m magas hegycsúcs is a nevét viseli.