В результате, имея лишь скудную словесную и картографическую информацию, император Петр I приступил к исследованию арктического побережья.
Первой не арктической, а северной экспедицией по исследованию верховьев реки Иртыш в Сибири стала экспедиция майора лейб-гвардии Семеновского полка Ивана Михайловича Лихарева. В экспедиции сразу после выпуска из Морской академии в 1719 году участвовали морские офицеры Петр Гаврилович Чичагов (1694 после 1756) и Иван Захаров (данные не найдены). Карта («хартина»), составленная Петром Чичаговым, в отличие от предыдущих, впервые была вычерчена в градусной сетке и, с автографом П. Чичагова, является старейшим памятником сибирской картографии, созданной на основе инструментальных съемок. На данной карте отмечен остров Вайгач с огибающими его проливами (ныне Югорский шар и Карские ворота) и южная часть архипелага (арх.) Новая Земля. Однако Петр I, по данным историков, остался недоволен результатами экспедиции и решил начать более масштабные исследования арктического и камчатского побережий.
Первая Камчатская экспедиция Витуса Беринга (17251729)
23 декабря 1724 года (03.01.1725) был издан указ Петра I об организации Первой Камчатской экспедиции. В инструкциях Петра I говорилось: «1. Надлежит на Камчатке или в другом тамож месте зделать один или два бота с палубами. 2. На оных ботах плыть возле земли, которая идет на норд [] 3. И для того искать, где оная сошлася с Америкою, [] и взять на письмо, и самим побывать на берегу, и взять подлинную ведомость, и, поставя на карту, приезжать сюды». Таким образом, основной целью экспедиции было доказать наличие пролива между Азией и Америкой, который географически входил в состав Арктики.
Главой экспедиции был назначен датчанин, капитан флота (капитан 1-го ранга) Витус Беринг (16811741), поступивший на службу в России в 1704 году. Основным помощником В. Беринга стал выпускник Морской академии 1721 года лейтенант Алексей Ильич Чириков (17031748). Штурманом экспедиции был назначен выпускник Морской академии 1724 года Петр Авраамович Чаплин (16991765).
В 1725 году, пока экспедиция В. Беринга в течение двух лет перевозила груз из Санкт-Петербурга на Тихий океан, Петр I с учетом результатов экспедиции И. М. Лихарева организовал Нижнеобскую экспедицию во главе с купцом и заводчиком П. Миллером (крестником Петра I). В задачу экспедиции входило выяснить возможности морского сообщения между европейской Россией и Камчаткой. Таким образом, это была, наверное, первая попытка географического системного обследования Северного морского пути. За геодезическую часть исследований отвечал опять П. Чичагов, который первым из выпускников Морской академии исследовал часть арктического побережья Северного Ледовитого океана: прошел с описью вдоль побережья Енисейского залива Карского моря до впадения реки Пясина (этот 500-километровый участок впоследствии был назван Берегом Петра Чичагова) и нанес на карту России контуры полуострова Таймыр в Карском море.
Только к августу 1727 года грузы экспедиции В. Беринга были доставлены в поселок Охотск, и 22 августа экспедиция вышла из Охотска на судне «Фортуна» и старой лодье «Восток» на Камчатку. 4 сентября суда прибыли в Большерецкий острог на реке Большая столицу Камчатки (17031928). В Большерецке было решено зазимовать, а часть груза была отправлена в Нижнекамчатский острог (17131968) по рекам Большой, Быстрой и Камчатке (зимой на собаках). Корабельный мастер Федор Козлов в долине реки Камчатки, близ урочища Ушки, выбрал место для первой верфи на Камчатке. К моменту прибытия на место основных сил экспедиции верфь была готова, поэтому 4 апреля 1728 года состоялась торжественная церемония закладки бота, а 6 июля произошел его спуск на воду.
13 июля 1728 года бот «Св. Гавриил» вышел из устья реки Камчатка и направился прямо на север. 17 июля было совершено первое географическое открытие остров Карагинский. На пути к предполагаемому проливу почти все время стоял туман, поэтому берегов не было видно. В результате «Св. Гавриил», совершенно случайно не налетев на берег или подводные скалы, прошел пролив между материками, не заметив этого, и оказался по астрономическим счислениям в Чукотском море Северного Ледовитого океана. Держа далее курс на север, судно дошло до 67° 18 с. ш., но земля так и не была обнаружена. Плавание продолжалось уже 34 дня. А. Чириков предложил В. Берингу направиться далее на запад, до устья реки Колыма в Восточно-Сибирском море. Однако В. Беринг ответил, что он выполнил второй пункт инструкции Петра I, доказав, что Азия и Америка разделены проливом, и 15 августа 1728 года развернул «Св. Гавриила» на обратный курс. На обратном пути экспедиция открыла остров Святого Диомида в центре Берингова пролива, и 3 сентября судно вернулось в устье реки Камчатка, встав на якорь для зимовки (в 1731 году на берегу было образовано поселение Усть-Приморск, с 1918 года поселок Усть-Камчатск).
5 июня 1729 года, после зимовки, бот «Св. Гавриил» с экспедицией В. Беринга вышел в море для следования в Охотск для завершения экспедиции. По пути В. Беринг решил обследовать прилегающую к полуострову Камчатка часть Тихого океана с целью поиска островов, о которых рассказывали аборигены. 6 июня по счислению судно находилось в 30 милях от острова, получившего в дальнейшем имя Беринга, но из-за постоянно висевшего над морем тумана не увидела его. До 1 июля экспедиция продолжала, в основном перпендикулярными береговой черте галсами, исследовать прибрежные воды Тихого океана в поисках новых островов и описывать побережье полуострова. 2 июля 1729 года был картографирован пролив между южной частью Камчатки и островами Курильской гряды. В этот же день была завершена опись первых трех северных Курильских островов.
23 июля 1729 года судно «Св. Гавриил» прибыло в Охотск.
Таким образом, Первая Камчатская экспедиция была успешно завершена, подтвердив наличие пролива между материками Евразия и Америка, позже названного в честь командора Беринговым.
После окончания Первой Камчатской экспедиции В. Беринг предложил в Адмиралтейств-коллегию проект новой экспедиции к берегам Северной Америки и Японии. Кроме всего прочего, его проект предусматривал описание арктического побережья Сибири.
Вторая Камчатская (Великая Сибирская) экспедиция Витуса Беринга (17331743)
2 мая 1732 года императрица Анна Иоанновна подписала представленный Сенатом указ 6042 «Об отправлении капитан-командора Беринга на морских судах для проведывания новых земель, лежащих между Америкою и Камчаткою».
Экспедиция получила название Второй Камчатской экспедиции, или Великой Северной (Сибирской) экспедиции, и проводилась в 17331743 годах (маршруты экспедиции на вклейке 5.2).
Экспедиция включала в себя восемь отдельных отрядов:
1. Двинско-Обский отряд.
2. Обско-Енисейский отряд.
3. Ленско-Енисейский отряд.
4. Ленско-Колымский отряд.
5. Отряд Беринга Чирикова (поиск пути в Северную Америку).
6. Южный отряд (поиск дороги в Японию. Командир капитан 1-го ранга Мартын Шпанберг (участник Первой Камчатской экспедиции).
7. Академический отряд (сухопутный, Восточная Сибирь, Камчатка, состоял из членов Академии наук во главе с Г. Ф. Миллером, который и обнаружил в архивах Тобольска «Отписку» С. Дежнева, в которой был зафиксирован его проход проливом между Азией и Америкой).
8. Верхнеудинско-Охотская экспедиция (сухопутная, Камчатка, Сахалин).
Побережье Северного Ледовитого океана было разбито на пять участков: