Для отряда М. Шпанберга в Охотске построили два судна и отремонтировали третье. Одним кораблем командовал сам М. Шпанберг, другим — выходец из Англии, Вилим Вальтон, третьим — Алексей Елизарович Шельтинг. В конце июня 1738 г. флотилия перешла из Охотска в Большерецк, а 15 июля направилась оттуда на юг. Через четыре дня в густом тумане отстал А. Шельтинг (на следующий день он повернул обратно); еще через пять дней отстал и В. Вальтон; М. Шпанберг один продолжал путь вдоль Курильской гряды.. Обходя ее, он дошел до пролива Фриза и обогнул о. Уруп, приняв его за группу островов. М. Шпанберг побоялся один идти дальше, к Японии, и 17 августа вернулся в Большерецк (позднее он ссылался на недостаток провизии).

В. Вальтон, разлучившись с М. Шпанбергом, достиг восточного выступа Хоккайдо (п-ова Немуро, 43°20' с.ш.), нанес на карту 26 островов и 27 августа вернулся к устью р. Большой. Во время зимовки в Большерецке моряки построили из березы восемнадцативесельный шлюп. 21 мая 1739 г. четыре судна отряда М. Шпанберга вышли из устья р. Большой. От о. Маканруши (один из северных Курильских о-вов, близ 50° с.ш., 154° в.д.) они двинулись прямо на юг до 42° с.ш. на поиски «Земли Жуана-да-Гамы». Не найдя ее, М. Шпанберг взял курс на юго-запад. На широте 39°30' В. Вальтон опять отстал. Остальные три корабля 16 июня на 39° с.ш. подошли к о. Хонсю и шесть дней следовали на юг вдоль его восточного берега. По-видимому, они остановились в районе залива Сендай (между 38 и 38°15' с. т.). Японцы, по их донесениям, 17–21 июня 1739 г. видели там два-три неизвестных судна. Жители встретили русских далеко не враждебно. Но М. Шпанберг не решился высадиться на берег, не запасся даже свежей провизией, хотя у него на борту были больные цингой, и 23 июня снялся с якоря. На обратном пути он обогнул южные Курильские о-ва и подошел к о. Хоккайдо, но не высаживался на берег. Так М. Шпанберг и вернулся на Камчатку, не завязав сношений с японцами, т. е. не выполнив задания.

В. Вальтон и на этот раз отличился: он прошел до юго-восточного выступа Хонсю и выслал на берег за водой восемь человек. Японцы помогли им набрать воду. Оттуда В. Вальтон прошел на юг, мимо каких-то цветущих берегов, и на 33°28' с.ш. бросил якорь у маленького острова (вероятно, из группы Идзуситито), где простоял день. В июле он вернулся в Охотское море.

Осенью 1741 г. А. Шельтинг вместе с геодезистом М. Гвоздевым на дубель-шлюпке «Надежда» проследил западное побережье Охотского моря до устья Уды, а затем в поисках удобной якорной стоянки осмотрел Шантарские о-ва. В августе 1742 г. А. Шельтинг, исследуя южную часть Охотского моря, подошел у 50° 10' с.ш. к восточному берегу Сахалина, принятому им по карте Фриза за Землю Йессо. Он спустился сначала на юг до широты пролива Лаперуза и, как и Фриз, не заметил его в тумане. Отсюда «Надежда» двинулась на восток, в напрасных поисках хотя бы клочка суши прошла 2000 км и повернула назад. На пути в Охотск (куда судно прибыло 10 сентября) А. Шельтинг проследовал вдоль всего восточного (более 600 км) берега Сахалина, тогда еще совершенно неизвестного. И вновь туманы мешали морякам видеть побережье, поэтому съемка, выполненная М. Гвоздевым, малоудовлетворительна.

М. Шпанберг оказался плохим руководителем исследовательской экспедиции, проявил за эти годы «чрезмерную осторожность», граничащую с трусостью, подозрительность, сварливость и зависть к более удачливым офицерам. И все-таки его отряд добился крупных географических результатов: был открыт путь от Камчатки к Японии; нанесена на карту, хотя и очень неточную, а местами неверную, вся «гирлянда» Курильских о-вов от Камчатского Носа до Хоккайдо, западные участки побережья Охотского моря, включая восточный берег Сахалина (показанный, кстати, как остров, а не как полуостров Азии) и часть Северной Японии; доказано, что к востоку от Японских о-вов никакой суши не существует. Эти достижения были использованы уже при составлении восточной части «Генеральной карты Российской империи», изданной Академией наук в 1745 г.