Экспедиция получила название Второй Камчатской экспедиции или Великой Северной (Сибирской) и проводилась в 17331743 годах.
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 ранга Мартын Шпанберг (участник Первой Камчатской экспедиции).
7. Академический отряд (сухопутный, Восточная Сибирь, Камчатка, состоял из членов Академии наук).
8. Верхнеудинско-Охотская экспедиция (сухопутная, Камчатка, Сахалин).
Из всех 8 отрядов, только Двинско-Обский замыкался непосредственно на Адмиралтейств-коллегию, а все остальные подчинялись непосредственно Витусу Берингу.
Побережье Северного Ледовитого океана было разбито на пять участков:
самый западный участок побережья от р. Печора до р. Оби должен был исследовать отряд под командованием выпускника Морской академии лейтенанта Муравьёва Степана Воиновича (позже его сменил лейтенант Малыгин Степан Гаврилович, окончивший в 1717 г. Навигацкую школу в Москве);
участок арктического побережья от р. Обь до р. Енисей обследовал отряд выпускника Морской академии 1725 г. лейтенанта Овцына Дмитрия Леонтьевича (1708 1757, в 1738 году выехал в Санкт-Петербург с отчётами об экспедиции, но в дороге был арестован и предан суду за связь с находившимся в Берёзове ссыльным семейством князей Долгоруковых. По решению суда был разжалован в матросы и отправлен в Охотск под начало капитан-командора В. Беринга. В 1741 году ходил под его руководством к Северной Америке и по возвращению ему был возвращён чин лейтенанта);
восточнее р. Енисей работал отряд штурмана Минина Федора Алексеевича, выпускника Морской академии 1726 г.;
участок побережья к западу от р. Лена был поручен отряду, возглавляемому последовательно выпускниками Морской академии 1718 года Прончищевым Василием Васильевичем, Лаптевым Харитоном Прокофьевичем и Челюскиным Семеном Ивановичем;
участок побережья к востоку от устья р. Лена до устья р. Колыма обследовал отряд лейтенанта майорского ранга Питера Лассниуса (швед с 1725 г. на службе в России) и выпускника Морской академии 1721 г. Лаптева Дмитрия Яковлевича.
Для Двинско-Обского отряда, несмотря на действующее указание Петра I о строительстве судов только по западному образцу, тот сам сделал исключение и разрешил построить на верфях Архангельска два поморских коча с именами «Экспедицион» и «Обь». Такие суда издавна строили жители беломорского побережья поморы. Их лодьи и кочи имели прочный округлый (яйцеобразный) подводный деревянный корпус, который не позволял дрейфующим льдам сжимать его и раздавливать, а только выталкивать на поверхность льдов (в 1892 году Ф. Нансен при создании своего легендарного судна «Фрам» для дрейфа в Северном Ледовитом океане, избрал именно такую конструкцию его корпуса). Кроме этого, поморские суда были достаточно легкими, что позволяло их вытаскивать на ледяной покров или берег и перетаскивать волоком в нужное место.
Отряд формировался зимой 17331734 г. в Архангельске. Для руководства картографическими и гидрографическими работами из Санкт-Петербурга приехали геодезисты и штурманы выпускники Морской академии (Интернет-журнал «Sozvezdye Review», номер 31, Архангельск).
Всего в экспедицию отправились порядка 50 человек: подштурманы, рудознатцы, фельдшеры.
В состав Двинско-Обского отряда за весь его период работы входили:
Муравьёв Степан Воинович (1707/8 1768?) лейтенант (руководитель экспедиции, командир коча «Экспедицион», выпускник Морской академии 1721 г.);
Павлов Михаил Степанович (около 1700 после 1740) лейтенант, штурман (командир коча «Обь»);
Малыгин Степан Гаврилович (1702 (?) 1 августа (12 августа) 1764) лейтенант;
Скуратов Алексей Иванович (1709 после 1765) лейтенант;
Сухотин Иван Михайлович (около 1700 после 1763) лейтенант;
Селифонтов Василий Михайлович береговой геодезист.
На коче «Экспедицион» разместился руководитель экспедиции лейтенант Муравьев Степан Воинович. В числе экипажа, состоявшего из 26 человек, был подштурман Гаврило Руднев. В команде второго коча «Обь» насчитывалось 25 человек (командир лейтенант Михаил Павлов, подштурман Василий Андреев). Помимо подштурманов, на каждом коче находилось еще по одному штурманскому ученику.
Отряд вышел из Архангельска 10 июля 1734 г. и уже через 15 дней, пройдя через Белое и Баренцево моря, вошел в пролив Югорский Шар (между островом Вайгач и полуостровом Югорский материка Евразия). В проливе в течение четырех дней штурманы производили опись острова Вайгач, а также послали «казака по матерому берегу для постановления знаков». Затем исследователи вошли в Карское море, свободное ото льда, и достигли западного берега Ямала. Не зная, что северная оконечность полуострова находится уже недалеко, командиры отряда приняли решение вернуться назад и поставить суда на зимовку в устье Печоры у деревни Тельвицы.
Сама команда зазимовала в Пустозёрске старинном поселении на печорском берегу в двадцати километрах от сегодняшнего Нарьян-Мара (первый русский город за Полярным кругом, основанный в 1499 году по указу Ивана III, ныне не существует). Со временем город стал форпостом на пути освоения Сибири, Урала, Новой Земли и других отдалённых северных территорий.
В Санкт-Петербург был отправлен отчёт о проделанной работе, а из столицы в Пустозёрск прислали «пополнение» двух геодезистов.
Летом 1735 года Двинско-Обский отряд вновь вышел в море для выполнения исследований (схема походов Отряда представлена на рисунке 1 в блоке иллюстраций). Однако новая попытка описать Ямал оказалась неудачной, так как в этот раз Югорский Шар оказался закрыт льдами до августа и пробиться через льды Карского моря оказалось невозможно. Между руководителями экспедиции начались разногласия по поводу дальнейших действий. В итоге суда разделились и продолжили поход по отдельности, но в результате оба были вынуждены вернуться к устью Печоры.
Данные неудачи отрицательно сказались на карьере командиров: из-за жалоб подчинённых, а также жителей Пустозёрска, лейтенанты С. Муравьёв и А. Павлов «за многие непорядочные, нерадетельные, леностные и глупые поступки» были отстранены от должности и разжалованы в матросы (спустя несколько лет их восстановили в звании. Правнук Степана Муравьёва, граф Николай Муравьев, стал основателем Хабаровска и Владивостока).
В 1736 году руководителем отряда назначили лейтенанта Степана Малыгина (выпускник Навигацкой школы 1717 г.). Кроме того, экспедицию усилили новыми судами: в Архангельске построили два парусно-гребных бота, которые так и назвали: «Первый» и «Второй». Их командирами стали лейтенанты Алексей Скуратов (потомок родного брата Малюты Скуратова и предок писателя Ивана Тургенева, выпускник Морской академии 1726 г.) и Иван Сухотин (выпускник Морской академии 1725 г., при этом в 1718 году был отчислен из академии за «предерзостное поведение» и направлен рядовым матросом на флот на три года (Ф. Ф. Веселаго «Общий морской список»).
25 мая 1736 года С. Малыгин вышел в море на коче «Экспедицион» от деревни Кетлицкая.
29 мая в устье реки Печоры коч сел на мель и принесенными с моря льдами был раздавлен. Хотя грузы и людей удалось спасти, но С. Малыгин по действующим в то время правилам подлежал суду. Тем не менее, прибывший из Санкт-Петербурга капитан И. Черевин (в 1734 г. капитан над Кронштадтским портом, в 17471750 гг. главный командир Архангельского порта) для производства следствия, на свой страх и риск приказал отдать С. Малыгину второй коч «Обь». В результате экспедиция была продолжена уже только на одном коче (через год, когда С. Малыгин блестяще выполнил задачу и достиг Оби, судебное дело о гибели «Экспедициона» было приостановлено).