В начале XX в. обширный (364 тыс. км²) бассейн Хатанги представлял собой «белое пятно». Со времен Чекановского он был охарактеризован лишь расспросными картами. Поэтому Академия наук организовала Хатангскую экспедицию, перед которой поставила задачу исследовать междуречье Енисея и Анабара. В марте 1905 г. начальник экспедиции геолог Иннокентий Павлович Толмачев и топограф Михаил Яковлевич Кожевников с четырьмя спутниками от Туруханска прошли на оленях через верховья рек Курейки и Котуя (правая составляющая Хатанги) по высокому безлесному плоскогорью, имеющему вид обширных групп гор с волнистой поверхностью или отдельных гор, похожих часто на вулканы. В апреле они достигли озера Ессей.

У озера, «развлекавшего» их частыми миражами, путешественники устроили лагерь и почти два месяца исследовали и правильно нанесли на карту озерный район среднего Котуя (67–68° с.ш.). Выяснилось, что северных сибирских «великих» озер, показанных на картах Чекановского, не существует. Рядом маршрутов они проследили также притоки верхнего Котуя и по льду — все течение его важнейшего притока Мойеро (825 км). Закончив работы в этом районе, исследователи в июне построили на озере Ессей плот, по протоке достигли Котуя у 68° с.ш. и спустились по нему до Хатанги. Котуй очень красив, отметил Кожевников, но своим мрачным видом напоминает загробные реки древнего мира. Сплав по Котую, оказавшемуся крупной рекой (1409 км), позволил Толмачеву установить наличие обширного Анабарского плато. У слияния Котуя с Хетой они пересели в лодку и начали спуск по Хатанге. Вскоре река сильно расширилась, появились острова, плавание стало опасным. Проследив течение реки до устья, Толмачев и Кожевников двинулись по восточному берегу Хатангского залива на оленях. Очень скоро они убедились, что старая карта залива совершенно не соответствует действительности: его юго-восточный берег оказался сильно изрезанным — за р. Попигай, впадающей в Хатангскую губу, они обнаружили три полуострова (между 106°30' и 109° в.д.). В сентябре, с наступлением зимы, ранней в этом году, корма для оленей стало мало, и путешественники спешно объезжали на голодных оленях совершенно бесплодные полуострова, на которые здесь рассечен берег. Кожевников нанес на карту полуострова Хара-Тумус и Юрюнг-Тумус (у 74° с.ш.) с горой каменной соли (130 м). По его съемке бухта Нордвик и п-ов Нордвик получили современные очертания; изменилась на карте и конфигурация Хатангского залива: на востоке появилась глубоко вдающаяся в сушу узкая бухта Кожевникова. Затем они достигли устья р. Анабара.

Река покрылась крепким льдом, и перед исследователями лежала прекрасная дорога на юг. Пройдя в октябре на оленях до верховьев Анабара, они проследили все его течение (939 км). При этом Толмачев завершил открытие плато, названного им Анабарским. По его данным, оно наклонено к северу и сильно расчленено размывом, благодари чему от первичного плато сохранились лишь связанные друг с другом горы-свидетели (высотой до 845 м). От верховьев Анабара они вернулись на озеро Ессей, где разлучились. Толмачев прошел на юг, к верховьям Мойеро и Вилюю, спустился до 60° с.ш. и в январе 1906 г. добрался до Олёкминска на Лене. Кожевников со съемкой двинулся на северо-запад — через верховья Тукалана и Маймечи до устья Романихи (все — системы Хатанги), а оттуда вниз по Хете до селения Хатанги (72° с.ш.), где завершил работу. Затем он вернулся к Романихе и, следуя к западу вдоль 70° с.ш., в начале 1906 г. прибыл в Дудинку на Енисее, завершив съемку более 6000 км пути.

Участники Хатангской экспедиции впервые составили карту громадной (более 1 млн. км²) территории, ограниченной с запада Енисеем, с юга — Нижней Тунгуской, с востока — Оленьком, уточнили гидрографическую сеть региона, проследили все течение рек Хатанги, Котуя, Мойеро и Анабара, значительно исправили карту Хатангского залива. Это название окончательно утвердилось после экспедиции Толмачева. Но самым большим достижением следует считать открытие, оконтуривание и первое описание Анабарского плато, орографически представляющего собой, как правильно отмечал Толмачев, часть Среднесибирского плоскогорья. К северу от плато, заканчивающегося уступом, Толмачев исследовал центральную область огромной Северо-Сибирской низменности (как самостоятельная геоморфологическая единица она выделена в 1913 г. Л.С. Бергом).

В 1909 г. Толмачев был назначен начальником Северо-Восточной экспедиции, в которую опять пригласил Кожевникова. Из-за неудач и плохой подготовки работы, как отметил сам Толмачев, свелись к исследованию береговой линии от Колымы до мыса Дежнева. При этом удалось описать рельеф приморской полосы и выполнить съемку более 1600 км маршрута.