К подготовке сплава приступили по распоряжению Муравьёва ещё в конце 1853 года. 19 апреля 1854-го генерал-губернатор выехал из Иркутска и 7 мая достиг Шилки, по которой спустился к Шилкинскому заводу, где нашёл недавно выстроенный пароход "Аргунь" и барки с плотами для сводного батальона из 800 солдат, вооружённых преимущественно штуцерами, сотни казаков и дивизиона горной артиллерии. Начальство над отрядом было поручено майору М.С. Корсакову. Утром 8 мая, после молебна, караван тронулся в путь. Вёл его сотник А.Г. Скобельцын, единственный изо всего отряда бывавший в низовьях Амура. 18 мая миновали Усть-Стрелку - последнее русское поселение, расположенное при слиянии Шилки с Амуром. 28 остановились, выбрав место у впадения Зеи, верстах в 20 выше Айгуня, куда Муравьёв сразу послал чиновников Свербеева и Сычевского. Они должны были выяснить, доставлено ли из Пекина разрешение на сплав. Однако ответ оказался неутешительным. Тем не менее, на следующий день Муравьёв приказал отряду продолжать плавание, сам же пересел на "Аргунь" и отправился вперёд, на встречу с хэйлунцзянским цзянцзюнем (генерал-губернатором) И Шанем, предупредив Корсакова, чтобы тот был готов по первому сигналу атаковать город.
Переговоры шли до вечера. Убоявшись множества подходивших российских судов, И Шань, не имевший определённых указаний правительства, позволил им двигаться дальше. 3 июня, по ошибке проводника, караван свернул в Уссури и поднялся по ней вёрст на 40. Обнаружив ошибку, повернули обратно, и на выходе из реки в Амур Муравьёв присмотрел место для будущего поселения. Спустя неделю, 10 июня, с судов каравана заметили парус гиляцкой байдарки, в которой прибыл посланный Невельским навстречу отряду мичман Г.Д. Разградский. Он и повёл сплав дальше. 14-го числа на берегу показались избы Мариинского поста, где Муравьёва ждал Невельской, незадолго перед тем получивший от Путятина известие о начале войны с европейской коалицией. Там экспедиция разделилась. Третья рота - 200 человек под командованием подпоручика Н.А. Глена, была послана сделать просеку и проложить дорогу к Де-Кастри, остальные же двинулись в Николаевск. Оставив для защиты поста ещё одну роту, две других погрузили на транспорт "Двина" и отправили в Петропавловск, так как Муравьёв, в 1849 году сделавший этот порт главной базой российского флота на Тихом океане, не оставлял надежды сохранить за ним и впредь данное значение. Подкрепление высадилось в Петропавловске за две недели до появления в Авачинской бухте англо-французской эскадры.
Ожидая появления неприятеля, Муравьёв предложил было Путятину ввести "Палладу" в Амур, но 9 августа сам нарушил прежний план, поспешив на шхуне "Восток" в Аян, чтобы успеть до ледостава вернуться в Иркутск, а затем отослав сё в Петропавловск. Ввести же сидевший на 22 фута (6,7 м) фрегат через амурский бар, буксируя его одними шлюпками, не удалось даже после полного разоружения. Путятину пришлось отправить "Палладу" на буксире подошедшей 18 июля к мысу Лазарева "Дианы" в Императорскую гавань, где она и осталась на попечении боцмана Синицына с десятью матросами. Основная часть команды "Паллады" была переведена на "Диану", матросы которой проявили бунтарский дух и едва не выбросили за борт своего командира, капитан-лейтенанта С.С. Лесовского. Последние же пополнили гарнизон Николаевска, усиленно занимавшийся в те дни строительными работами. Распоряжением Невельского, 25 августа произведённого в контр-адмиралы, возводились две большие казармы с походной церковью и лазаретом, четыре офицерских флигеля, здание канцелярии с гауптвахтой, несколько складов, кузница, мастерская и другие сооружения. 22 октября начальник Амурской экспедиции заложил батарею на мысе Куегда. К концу 1854 года николаевский гарнизон насчитывал 820, петровский - 80, а мариинский - 150 человек.
Однако до весны неприятель на подходах к Амуру не показывался. Англо-французская эскадра из двух фрегатов, трёх корветов, брига и парохода, под командованием адмиралов Прайса и Феврие де Пуанта действовала у берегов Камчатки. Впервые она была замечена 17 августа 1854 года, а на следующий день уже вошла в Авачинскую бухту. Ей противостояли фрегат "Аврора", под командованием капитан-лейтенанта И.Н. Изыльметьева, транспорт "Двина", под командованием капитана 2 ранга А.А. Васильева, моряки 47-го Камчатского экипажа и солдаты сводного батальона. Всего, вместе с волонтёрами, до 900 человек при 42 офицерах. Устроив шесть береговых батарей, гарнизон, руководимый командиром порта, контр-адмиралом B.C. Завойко, сумел хорошо подготовиться к обороне и выстоять как при бомбардировке 20 августа, так и при высадке десанта 24-го. Потеряв всего 31 человека убитыми и 65 ранеными, защитники Петропавловска вывели из строя до 350 нападавших. Погиб и адмирал Прайс. Спустя три дня союзники покинули Камчатку.
Поражение соединённой эскадры произвело в Европе неприятное впечатление и немедленно породило призывы к реваншу. Сознавая, что Петропавловск не выдержит нового удара, великий князь Константин Николаевич 3 декабря 1854 года послал Муравьёву записку, в которой указывал на целесообразность сосредоточения всех сил в важнейшем пункте - устье Амура. Эта мысль вскоре получила одобрение Николая I. Тогда же посетила она и самого Муравьёва, 30 декабря отправившего к Завойко есаула Мартынова с предписанием оставить порт. Преодолев за два месяца 8000 вёрст по бездорожью, есаул 3 марта 1855 года вручил предписание командиру порта. На следующий же день началось разоружение укреплений. Всё имущество грузили на стоявшие в бухте "Аврору", "Оливуцу", "Двину", "Иртыш", "Байкал" и два бота. Завершив погрузку 2 апреля, петропавловцы прорубили во льду канал и 6-го вышли в море. Спустя двадцать дней отряд вошёл в Императорскую гавань, но не задержался там, а при первом известии о приближении 8 судов английской эскадры коммодора Фридрикса перебрался 5 мая в Де-Кастри.
8 мая три неприятельских судна появились в заливе, причём одно из них, винтовой корвет под английским флагом, зашло за остров Обсерватория и открыло огонь по "Оливуце", с которой сразу ответили. После короткого и безрезультатного обмена выстрелами противник удалился. Расценив этот бой как рекогносцировку, российские моряки стали готовиться к встрече более крупных сил. Однако 13 мая в Де-Кастри приехал Невельской и настоял на немедленном переводе кораблей в устье Амура, уже очистившееся ото льда. Едва отряд успел покинуть залив, как в него 23 мая вошла эскадра коммодора лорда Эллиота. Обыскав все бухты и, никого не обнаружив, англичане, вполне доверявшие Лаперузу с Броутоном, сочли, что русские ухитрились выскользнуть на юг, и бросились вдогонку. По пути они перехватили часть экипажа погибшей в Японии "Дианы", добиравшуюся до устья Амура на японской торговой шхуне. Остальная команда фрегата, во главе с Путятиным, на втором "купце" и шхуне "Хеда" побывала в Петропавловске, но, убедившись, что он сожжён дотла, повернула к Татарскому проливу, проскочив туда под носом у неприятеля. До осени англо-французское соединение успело разорить Аянский порт и перебить почти всю команду брига Российско-американской компании "Охотск", спасавшуюся на шлюпках после того, как шкипер Юзелиус, не желавший сдавать своё судно врагу, взорвал его.
Путятин, 26 января 1855 года подписавший в Симоде договор, устанавливавший дипломатические отношения с Японией и открывавший для российских мореплавателей порты Симода, Хакодате и Нагасаки, исполнил возложенное на него поручение, и в конце лета, когда вероятность нападения противника снизилась, отправился в Петербург. Однако паровой катер "Надежда", на котором он поднимался по Амуру, с трудом выгребал против течения, и адмирал не успел до ледостава дойти до Усть-Стрелки 300 вёрст. Пеший переход через Забайкалье в Иркутск оказался крайне трудным, и тягостные впечатления породили у Путятина стойкое неприятие любых планов освоения Приамурского края, усиливавшееся воспоминаниями о вынужденном подчинении Муравьёву. Впоследствии это нерасположение сыграло свою роль.
С января 1855 года на Шилкинском заводе стали собираться войска, назначенные для второго сплава: две роты 14-го, 15-й линейный батальон и сводный казачий полубатальон забайкальцев. Весной комендантом завода назначили мичмана A.M. Линдена, распоряжавшегося постройкой барж. После вскрытия рек, в ночь на 29 апреля, тронулся в путь первый эшелон сплава, руководимый самим Муравьёвым. За ним двинулись второй и третий, всего 125 судов, вместивших не только около 3000 военнослужащих, но также научную экспедицию Р.К. Маака и первых крестьян-поселенцев. 31 мая устья Амура достигли головные суда, а 1 июля сплав завершился. К тому времени в низовьях реки и на берегу Татарского пролива сосредоточилось до 7000 человек. Пользуясь предоставленными ему правами, Муравьёв объявил себя главнокомандующим всеми сухопутными и морскими силами и предписал упразднить Амурскую экспедицию, подчинив её личный состав камчатскому военному губернатору - Завойко. Боевые корабли поступили под начальство капитана 1 ранга Изыльметьева, а войска были подчинены полковнику Корсакову. Излишне же самостоятельного Невельского генерал-губернатор фактически отстранил от живого дела, назначив начальником своего штаба.