В 1873 г. он принял участие в Хивинском походе в качестве начальника штаба Мангышлакского отряда полковника Ломакина и за боевые отличия был награждён орденом св. Станислава 2-й степени и золотым оружием с надписью «За храбрость». Эту экспедицию Гродеков описал в работе «Хивинский поход 1873 года. Действия Кавказских отрядов» (1883). В 1876 г. Гродеков был назначен начальником штаба Ферганской области, военным губернатором которой был тогда М. Д. Скобелев. По окончании Русско-турецкой войны 1877—78 гг., когда Англия угрожала России войной, выставив свои войска на границе Индии, Туркестанскому генерал-губернатору генерал-адъютанту К. П. Кауфману было поручено совершить с особым отрядом демонстративный поход к кишлаку Джам, на границе Бухарского ханства, — причём Гродеков был назначен начальником полевого штаба этого отряда. Сразу по окончании данной экспедиции Гродеков предпринял рискованный для того времени пробег верхом, в сопровождении всего лишь двух джигитов, для разведки сопредельных стран, через Северный Афганистан и Северо-восточную Персию, сделав около 2 тысяч вёрст.