Первым предприятием созданного в 1851 г. Сибирского отдела Географического общества стала Вилюйская экспедиция, получившая задание исследовать долину Вилюя и «белое пятно» к северу от него. Возглавил ее уроженец о. Сааремаа (Эстония) учитель-естественник Ричард Карлович Маак; к экспедиции был прикомандирован молодой военный топограф Александр Кондратьевич Зондгаген. В конце 1853 г. Маак послал его из Иркутска для съемки нижнего Вилюя. Летом 1854 г. Зондгаген перевалил с Нижней Тунгуски на Чону (крупнейший правый приток Вилюя), по ней спустился на лодке со съемкой до устья и выяснил, что эта река течет в северном направлении по плоской возвышенности (Среднесибирское плоскогорье). От устья Чоны он заснял Вилюй до города Вилюйска и, из-за холодов прервав работу, прошел в Якутск, куда к апрелю прибыл Маак и еще два сотрудника. Отсюда все четверо добрались до устья Вилюя. Сначала волоком на лодке с бечевою, а потом на лошадях отряд поднялся к Вилюйску; Зондгаген дополнил свою съемку низовьев реки. Окончательно снарядившись, в начале июля Маак двинулся в северо-западном направлении через средний Тюкян (левый приток Вилюя) и вышел на р. Хання, приток Мархи (система Вилюя), где получил ездовых оленей. Этот маршрут позволил Мааку установить, что левобережье Вилюя на 100—150 км, «подобно правобережью от устья до Вилюйска, представляет усеянную множеством озер низменность» (Центральноякутская равнина наших карт). Отсюда отряд без одного сотрудника, отправленного на юг для исследования среднего течения Мархи и ее притоков, двинулся в северном направлении через плоскую возвышенность. За 66° с.ш. местность стала «неравномерно холмистою» и на пути отряда постоянно встречались «мрачные, большею частью голые утесы», что повлияло на скорость передвижения; к тому же некоторое время болели олени. И только в конце сентября отряд достиг р. Оленька у 68° с.ш. Время было позднее. Маак спешил, так как «холод шел… навстречу с грозной ужасающей бодростью». Отряд двинулся на юго-запад к верховью Вилюя через верхние правые притоки Оленька и Оленекско-Вилюйский водораздел (у полярного круга между 107 и 108° в.д.). Под влиянием старых карт Маак посчитал его за широтный хребет, якобы достигающий на востоке Лены; сопки его имеют вид «развалин старых замков… колонн, обелисков или пирамид, как будто нарочно построенных». Но Маак ошибся — это были отдельные возвышенности. Далее отряд двинулся по местности, «представляющей плоскую возвышенность, разделенную пологими скатами» (Вилюйское плато); эти столовые горы поросли «уродливым кустарником и местами почти непроходимым хвойным лесом». В конце октября он достиг верхнего Вилюя, уже покрывавшегося льдом. Начались сильные морозы, и Зондгаген отморозил руки. По глубокому снегу Маак и его спутники преодолевали за сутки 11–16 км. Теплых юрт у них не было — дни и ночи приходилось проводить под открытым небом. «Я уверен, — писал Маак, — что каждый из нас, смыкая от усталости очи, не надеялся более открыть их»; к тому же не хватало провизии.

Вилюй тек в общем на восток, но делал много крутых излучин, вполне оправдывая свое название. Морозы все усиливались (—40°С); с трудом проследив все изгибы реки примерно на 100 км, путешественники решили идти прямо на юго-запад. В ноябре, перевалив «высокий скалистый хребет, представляющий мало расчлененный массив живописных скалистых выступов в виде столбов и развалин древних замков», они достигли р. Улахан-Вава (приток Вилюя). Спустившись примерно до 64° с.ш., отряд перешел на левый берег Вилюя, двинулся на юго-восток и в конце декабря вновь коснулся Вилюя против устья Чоны. Здесь его ожидали якуты с продуктами и теплой одеждой. Зондгаген замкнул свою съемку с маршрутом 1853 г., он снял почти весь Вилюй (длина 2650 км), за исключением небольшого участка от 64° с.ш. до устья Чоны. В январе 1855 г. отряд достиг селения Сунтар и через невысокий Ленско-Вилюйский водораздел и покрытую лесом равнину (Приленское плато) прошел в Олекминск, а оттуда — в Иркутск. Сразу же после завершения экспедиции Маак и Зондгаген отправились на Амур (см. гл. 12). Лишь по окончании экспедиционной деятельности Маак приступил к обработке своих вилюйских материалов. Он стал первым исследователем центрального региона Восточной Сибири; он впервые показал, что большая часть бассейна Вилюя представляет плоскую возвышенность (Среднесибирское плоскогорье); он первый оконтурил Центрально-якутскую равнину. Но его выводы были опубликованы лишь в 1877–1886 гг. (последний том посмертно).