Не прошло и трех лет после возвращения в Санкт-Петербург, как капитан 2-го ранга В.М. Головнин отправился на шлюпе «Камчатка» в новое кругосветное плавание. На этот раз он принял назначение командиром корабля, отправлявшегося в кругосветное плавание, несмотря на то что незадолго до этого посватался к Евдокии Степановне Лутковской, дочери отставного офицера и сестре четырех моряков, и получил согласие. Он попросил невесту ждать его возвращения из дальнего плавания, и она ждала своего суженого два года.
На этот раз В.М. Головнину поручили доставить различные материалы и оборудование в Петропавловский и Охотский порты, провести опись и определить астрономическим способом географические координаты Командорских и ряда Алеутских островов, а также северо-западного побережья Северной Америки и близ расположенных островов в районе от 60 до 63° с. ш. Кроме того, ему было предписано ознакомиться с работой РАК в части положения коренного туземного населения в поселениях РАК. Считалось, что он, флотский офицер, независимый от компанейских дельцов, сумеет на месте провести честное и добросовестное расследование. А сигналов о многочисленных злоупотреблениях со стороны приказчиков и чиновников компании поступало в столицу предостаточно.
Специально для кругосветной экспедиции на Охтенской верфи был построен шлюп «Камчатка» длиной 130 футов (39, 7 м) и водоизмещением около 1000 тонн. Экипаж шлюпа состоял из добровольцев, отобранных командиром. Морскую школу В.М. Головнина в период кругосветного плавания на шлюпе «Камчатка» прошли молодые офицеры, впоследствии прославившие Российский флот своими самостоятельными кругосветными плаваниями и географическими исследованиями. В их числе мичман Фердинанд Петрович Врангель, будущий адмирал, трижды обогнувший земной шар, исследователь побережья Восточной Сибири к востоку от устья р. Колыма, главный правитель Русской Америки в 1830–1835 гг., один из учредителей Русского Географического общества в 1845 г.
На «Камчатке» поплыл с В.М. Головниным также мичман Федор Петрович Литке, исследователь Новой Земли, Берингова моря и побережья Чукотки, будущий в течение ряда лет вице-председатель (а фактически руководитель) Русского Географического общества и будущий президент Российской Академии наук.
И, наконец, в этом кругосветном плавании в качестве волонтера участвовал друг Александра Сергеевича Пушкина, вместе с поэтом окончивший Царскосельский лицей Федор Федорович Матюшкин, будущий адмирал, исследователь северо-восточных районов Сибири, дважды обогнувший земной шар.
26 августа 1817 г. «Камчатка» вышла из Кронштадта и 10 сентября стала на якорь в Портсмуте (Англия), где были закуплены некоторые припасы, навигационные инструменты и карты. Выйдя из Портсмута 21 сентября, шлюп на 58‑й день плавания пересек экватор. В.М. Головнин поздравил экипаж с успешным плаванием и приказал выдать всем матросам двухмесячное жалованье за отличное выполнение своих обязанностей, а офицеров и гардемарин пообещал при первом же удобном случае представить к наградам.
Пополнив запасы продовольствия и пресной воды в Рио-де-Жанейро, шлюп направился на юг и, на этот раз успешно обогнув мыс Горн, вышел в Тихий океан. После стоянки в Кальяо (Перу) «Камчатка» пересекла Тихий океан и 3 мая 1818 г. прибыла в Петропавловский порт. Сдав доставленные грузы, В.М. Головнин направился к Командорским и Алеутским островам. Погода не благоприятствовала исследованиям, но ему удалось астрономическим способом определить положение обоих Командорских островов – Беринга и Медного, а также ряда островов Алеутской гряды: Атту, Тихкиняк (острова Шумагина), южного из Евдокеевских островов, Укамок (о. Чирикова) и Ситкинак (близ о. Кадьяк).
9 июля 1818 г. «Камчатка» стала на якорь в гавани Св. Павла о. Кадьяк. В.М. Головнин начал знакомство с делами в поселениях РАК, а его офицеры в это время положили на карту Чиниатский залив с гаванями Св. Павла и Трёх Святителей и исправили ошибки, допущенные при предыдущей описи, выполненной капитан-лейтенантом Ю.Ф. Лисянским в 1805 г. Из гавани Св. Павла шлюп направился в Ново -Архангельск, куда прибыл 28 июля и где были сданы грузы, предназначенные для РАК.
В.М. Головнин постарался по возможности полнее и тщательнее ознакомиться с деятельностью РАК. Он описал природные условия на Алеутских островах, в первую очередь на о. Кадьяк, изучил образ жизни, быт и культуру местных жителей Русской Америки: алеутов, эскимосов и индейцев. Вот как он уважительно высказался по поводу характера коренных жителей о. Кадьяк: «Они сильны, терпеливы в трудах и смелы до отчаяния; любят независимость столько, что захотят расстаться с жизнью, и покорить их не только трудно, но даже невозможно» [8, с. 176].