2 июля оба судна были в бухте Провидения, в которой, по примеру прошлых лет, пополнили свои запасы. 9 июля суда вошли в Чукотское море и в Восточно-Сибирском море произвели опись всех Медвежьих островов. Острова Крестовский и Четырехстолбовой, названный так Ф. П. Врангелем, уже имели названия. Остальные четыре – Андреева, Пушкарева, Леонтьева и Лысова – были названы в честь первых их исследователей XVIII века.
Морскую опись берега между Колымой и Индигиркой произвести не удалось из-за мелководья. В дальнейшем суда описали острова Большой и Малый Ляховские, Васильевский, Семеновский, Столбовой, Котельный и побережье материка. «Вайгач» пришел в бухту Тикси 11 августа, а «Таймыр» 13 августа. Бухта Тикси в то время была совершенно пустынна – у берега на мели лежало судно экспедиции Толля «Заря».
План 1912 г. экспедиция выполнила. Однако состояние льдов казалось благоприятным, поэтому решили продолжить описные работы на запад.
15 августа суда покинули бухту Тикси и направились к полуострову Таймыр. На следующий день у 75° с. ш. встретили тяжелые льды и 23 августа решили итти во Владивосток. В тумане суда разошлись почти на 100 миль. Сначала ледовая обстановка у «Вайгача», находившегося севернее, казалась более благоприятной (крайняя северная точка «Вайгача» 76°09' с. ш.), но потом резко ухудшилась. Корабли встретились на 75°05' с. ш. У устья Лены льдов не было. Корабли обогнули с севера Медвежьи острова, 10 сентября прошли Берингов пролив и 10 октября вернулись во Владивосток.
26 июня 1913 г. суда отправились в новое плавание и 7 июля стали на якорь в бухте Провидения. Отсюда «Таймыр» отвез тяжело заболевшего начальника экспедиции И. С. Сергеева в устье Анадыря, откуда Сергеев на пароходе был доставлен во Владивосток.
Новый начальник экспедиции, старший лейтенант Борис Андреевич Вилькицкий приказал «Вайгачу» описать южный берег острова Врангеля, а затем пройти к Медвежьим островам, к которым должен был подойти и «Таймыр», шедший с промером вдоль побережья Чукотки и заходивший по пути в Чаунскую губу. Однако «Вайгач» из-за тяжелых льдов не смог подойти к острову Врангеля, и корабли встретились у острова Крестовского 3 августа. От острова Крестовского «Вайгач» направился для описи в устье Яны, а оттуда в бухту Нордвик и к острову Преображения. «Таймыр» тем временем намеревался обогнуть с севера Новосибирские острова. На пути он попал на мелководье, с которого едва выбрался. 7 августа был открыт небольшой островок, названный по имени отца начальника экспедиции, известного гидрографа Андрея Ипполитовича Вилькицкого. В дальнейшем «Таймыр» обогнул с севера Новосибирские острова, надеясь увидеть «Землю Санникова», и 10 августа подошел к острову Преображения, у которого уже находился «Вайгач».
На острове Преображения экспедиция нашла большой чугунный четырехконечный крест без всяких надписей и изображений. Возможно, что этот крест надо поставить в связь с находкой в 1940 г. гидрографическим судном «Норд» на северном острове Фаддея и в заливе Симса остатков древней (около 1618 г.) русской экспедиции.
«Вайгач», отойдя от острова Преображения, начал опись глубоко вдающейся в берег бухты Марии Прончищевой, названной так в честь участницы Великой Северной экспедиции.
В этой бухте он сел на мель. Пришлось вызывать на помощь «Таймыр». Описные работы восточного берега полуострова Таймыр давались с трудом. 19 августа увидели мыс Челюскина, но подойти к нему мешали льды. 20 августа сначала «Таймыр», а потом и «Вайгач» подошли к неизвестному острову, названному Малым Таймыром. Продолжая плавание на север, суда увидели много айсбергов, о происхождении которых делались разного рода догадки.
21 августа заметили гористую неведомую землю. Для описи ее южного берега отправился «Вайгач», для описи восточного берега – «Таймыр». Однако пробиться далеко на запад «Вайгачу» помешали льды.
22 августа на вновь открытую землю, называемую сейчас Северной Землей, была произведена высадка и в торжественной обстановке был поднят русский государственный флаг.
23 августа, поднявшись вдоль восточных берегов Северной Земли, приблизительно до 81°07' с. ш., суда повернули назад к острову Малый Таймыр, между которым и Северной Землей был усмотрен небольшой остров, названный по имени врача экспедиции Леонида Михайловича Старокадомского, первым заметившего этот остров.
Затем корабли снова подошли к невзломанному припаю у мыса Челюскина. Пешая партия, посланная по льду на мыс, поставила на нем деревянный знак и убедилась, что весь пролив, называемый в честь начальника экспедиции проливом Вилькицкого, покрыт непроходимыми льдами.
31 августа суда взяли курс на восток, в поисках легендарной «Земли Санникова» еще раз (только севернее) пересекли район к северу от Новосибирских островов и 5 сентября подошли к острову Беннета. С этого острова были взяты остатки коллекций, оставленных в 1902 г. геологом Толлем.