Назначенный начальником экспедиции с заданием организовать пост в заливе Счастья или где-либо на юго-западном берегу Охотского моря для торговли с гиляками (нивхами), Г. Невельской вернулся в Охотск и в конце июня 1850 г. у северного входа в Амурский лиман, на косе, отделяющей залив Счастья от Сахалинского залива, основал зимовье Петровское. Оно стало одной из основных баз Амурской экспедиции.

Установив, что залив Счастья неудобен для зимовки судов, Невельской на шлюпках перешел в устье Амура и прошел более 100 км вверх по реке.

Выбрав для зимовки мыс на левом берегу Амура, в 80 км от лимана, Невельской 1 августа 1850 г. основал там Николаевский пост (теперь город Николаевск-на-Амуре), поднял русский флаг и объявил российским владением весь Приамурский край «до корейской границы с островом Сахалин».

Ввиду важности этих областей для России Невельской на свой страх и риск начал их изучение и освоение, посылая своих помощников в различные районы огромного края. Он хорошо умел угадывать нужных для исследовательской работы людей и давал им самые ответственные поручения.

В 1851 г. в Амурскую экспедицию из Петербурга был переведен 20-летний лейтенант Николай Константинович Бошняк. Невельской назначил его начальником Николаевского поста, а в феврале — марте 1852 г. послал этого «мечтателя и дитя» исследовать о. Сахалин. На собаках и пешком Бошняк прошел западное побережье острова от пролива Невельского до р. Дуз (200 км), где обнаружил залежи каменного угля; перейдя на восточное побережье Сахалина, он открыл р. Тымь и проследил все ее течение. «Ему даны были нарта собак, дней на 35 сухарей, чаю да сахару, маленький ручной компас и вместе с крестом Невельского одобрение: «Если есть сухарь, чтобы утолить голод, и кружка воды напиться, то с божией помощью дело делать еще возможно». Проехавшись по Тыми до восточного побережья и обратно, он кое-как добрался до западного берега, весь ободранный, голодный (все сухари кончились), с нарывами на ногах.

В апреле 1852 г. Бошняк обследовал нижний Амур, осмотрел и описал озеро Удыль и низовья впадающих в него рек Бичи и Пильды, а на правобережье — озеро Большое Кизи. В октябре — ноябре он изучил р. Амгунь до ее среднего течения и открыл озера Чукчагирское (740 км²) и Эворон (194 км²).

В марте 1853 г., получив немного гороху, а вместо хлеба сухарную крошку, Бошняк прошел на шлюпке весь западный берег Татарского пролива, наткнулся на удобный небольшой залив Хаджи (Советская Гавань) и поднял там русский флаг. В июне он вернулся на шлюпке в Николаевск, а зиму 1853/54 г. провел в очень тяжелых условиях в новооткрытой бухте.

Пожилой штурман Дмитрий Иванович Орлов в августе 1849 г. был послан на байдаре из Аяна в Сахалинский залив навстречу Невельскому и после этого выполнял только его задания. В ноябре 1851 г. Орлов исследовал низовья Амура и бассейн нижней Амгуни и открыл ряд озер — Чля, Орель и Удыль. В январе — феврале следующего года он отправился в Удский край (так тогда называли большой регион, включавший, в частности, Удо-Амгуньское междуречье) на поиски мифических, как выяснилось, пограничных знаков. По р. Тугур и его притоку Муникан Орлов перевалил высокие горы и вышел в верховья р. Уды.

Затем он прошел на юго-восток по сравнительно невысокой гористой местности к истокам р. Селемджи, перевалил в верховья р. Керби и по ней и по Аргуни вернулся в Петровский пост. Он дважды пересек горное сооружение междуречья Амгуни и Уды и открыл несколько водораздельных хребтов, но разобраться в сложной орографии этого региона не смог.

Летом 1853 г. Орлов основал на Сахалине три военных поста, на байдаре произвел опись юго-западного берега Сахалина между 49° и 47°30' с.ш. и юго-восточного побережья между 49° и 46°50' с.ш. В том же году Невельской поднял русский флаг на Южном Сахалине. Перебравшись на побережье материка, Орлов зимой на собаках выполнил первое пересечение Сихотэ-Алиня по р. Тумнин к Амуру. Автором второго пересечения этой горной страны стал штурман Григорий Данилович Разградский. На собаках в начале 1854 г. он исследовал весь бассейн р. Хунгари (правый приток Амура) и пути, ведущие оттуда в гавань Хаджи.

Штурман Николай Васильевич Рудановский по заданиям Невельского осенью и зимой 1853 г. впервые подробно описал весь залив Анива, а в начале следующего года — юго-западный берег Сахалина к югу от 47°30' с.ш. и составил первую достоверную карту Южного Сахалина.

Таким образом, участники Амурской экспедиции, руководимой Невельским, исследовали обширную территорию Приамурья, Сахалин и Татарский пролив; они собрали первые сведения об ульчах и негидальцах, малых народах, населяющих нижнее течение Амура. На обоих берегах пролива, как и в низовье реки, был поднят русский флаг.