После 50-дневной стоянки в Порт-Джэксоне корабли в ноябре 1820 г. вторично направились к «льдинному материку» — мимо о. Макуори — ив середине декабря выдержали бурю при «такой великой мрачности, что едва на 30 сажень можно было видеть… Порывы ветра набегали ужасные, волны подымались в горы…» (Ф. Беллинсгаузен). Трижды еще шлюпы пересекали полярный круг; два раза они не подходили близко к материку, в третий раз появились явные признаки земли. 10 января 1821 г. экспедиция продвинулась на юг до 69°53' (на 92°19' з.д.). но снова вынуждена была отступить перед ледяным барьером. Повернув на восток, русские через несколько часов увидели берег (68°50' ю.ш., 90°30' з.д.). «…Из облаков блеснуло солнце, и лучи его осветили черные скалы высокого, занесенного снегом острова. Вскоре опять наступила мрачность, ветер засвежел; и явившийся нам остров скрылся как призрак. 11 января утром… мы ясно увидели высокий остров, покрытый снегом, чернеющиеся мысы и скалы, на которых он не мог держаться. Открытый остров… назван именем… Петра I» (П. Новосильский). 15 января 1821 г. при совершенно ясной, прекрасной погоде и чистом небе с обоих кораблей увидели на юге землю: с «Мирного» — очень высокий мыс, который соединялся узким перешейком с цепью невысоких гор, простирающихся к юго-западу; с «Востока» — гористый берег, покрытый снегом, за исключением осыпей на горах и крутых скалах. Ф. Беллинсгаузен назвал его «Берегом Александра I»: «Я называю обретение сие берегом потому, что отдаленность другого конца к югу исчезла за предел зрения нашего… Внезапная перемена цвета на поверхности моря подает мысль, что берег обширен».

«Восток» и «Мирный» не могли пробиться к берегу, находившемуся в 16 км, из-за сплошного льда. Ф. Беллинсгаузен снова повернул к востоку, пересек ту часть Тихого океана, которая в XX в. названа морем Беллинсгаузена, и вышел в пролив Дрейка, где отыскал Новую Шетландию У. Смита (см. выше). Русская экспедиция исследовала новую землю и обнаружила, что это цепь островов, простирающихся в восточном направлении почти на 600 км. Моряки дали отдельным Южным Шетландским о-вам названия в память сражений с Наполеоном I.

30 января 1821 г., когда обнаружилось, что «Восток» нуждается в капитальном ремонте, Ф. Беллинсгаузен повернул на север. 24 июля 1821 г. шлюпы вернулись в Кронштадт после 751-дневного отсутствия. За это время они 527 дней находились под парусами, в том числе 122 дня южнее 60º ю.ш., ни разу против воли командиров не разлучаясь, совершили кругосветное плавание в высоких южных широтах, потеряв за все время только двух человек.

По географическим результатам первая русская антарктическая экспедиция — величайшая в XIX в.: открыта новая часть света («ледяной континент», «континент льда», «ледяной оплот»), позже названная Антарктидой, к берегам которой русские моряки подходили девять раз, в том числе четырежды на расстояние 3—15 км; впервые охарактеризованы крупные акватории, примыкающие к новому материку; впервые описаны и классифицированы льды Антарктики и дана в общих чертах верная характеристика ее климата; на карту Антарктики нанесено 28 объектов, получивших русские названия; в высоких южных широтах и в тропиках обнаружено 29 островов. Ход экспедиции и ее результаты изложены Ф. Беллинсгаузеном в книге «Двукратные изыскания в Южном Ледовитом океане и плавание вокруг света…» (1831, 1949, 1960 гг.).