Верхом на лошади Вознесенский проехал в Сан-Франциско и побывал в католических миссиях Санта-Клара, Сан-Пауэбло, Сан-Антонио. Потом на лодке поднялся по впадающей в залив Сан-Франциско реке Сакраменто к имению Дж. Суттера, приобретшего его в рассрочку. Прожил у него с месяц, обследовав окрестности реки, которая совсем скоро станет знаменитой своими золотыми месторождениями. Первая карта-схема бассейна прославленной Джеком Лондоном реки Сакраменто была составлена Ильёй Вознесенским.

Форт Росс, основанный в 1812 году, был ликвидирован 15 апреля 1839 года. Вознесенский покинул его вместе с последними жителями. Он вернулся в Ново-Архангельск на бриге «Елена», которым командовал ставший другом Лаврентий Загоскин. В октябре 1841 года были отправлены в Петербург 15 ящиков коллекций и две бочки с заспиртованными животными. А в ноябре корабль «Наследник Александр» снова доставил Вознесенского в Калифорнию, на этот раз в Южную, тропическую.

Корабль шёл за грузом соли для Ново-Архангельска. Вознесенского взяли как «бесплатного пассажира». Из холодной в это время года страны они попали в тропический океан, прошли мимо острова, окружённого плотными зарослями водорослей — «морской капустой». Когда зашли в длиннейший залив, в тысячу с лишним вёрст, отделивший узкую полоску полуострова Калифорния от Мексики, Вознесенский обратил внимание на то, что голубой в океане цвет воды сменился на зеленовато-серый. Хотя глубина в заливе была вполне океанская, в поверхностном слое вода заметно разбавлялась мутными водами впадающей в залив реки Колорадо, куда Вознесенский сплавал на байдаре. Он описал удививших своим обликом крупных длиннохвостых птиц — белоголовых фрегатов: голова белая, а тело чёрное, как смоль, «летает очень гордо, быстро и высоко».

За три дня до Нового года корабль прибыл в порт Лоретто. Спустили маленькую лодку — «гичку», в ней поплыли к берегу, где попали в окружение мексиканцев в широкополых сомбреро.

Как и было условлено, пока команда загружала корабль солью, Вознесенский больше месяца занимался на берегу исследованиями. Он объездил все окрестности и собрал огромную коллекцию растений — 113 видов.

В Ново-Архангельск вернулись 19 марта 1842 года. В ожидании лета Вознесенский провёл три месяца с Лаврентием Загоскиным, которого он научил искусству препарирования животных, рыб и птиц.

Загоскин приступил в мае к исследованию внутренних районов Аляски. Весной его молодой учитель отправился с правителем Этолиным на судне «Промысел» к острову Кадьяк. Вознесенский познакомился с основанным ещё Г. Шелиховым первым русским селением. Потом корабль направился на север по Кенайскому заливу длиной 370 км, к построенному в его верховье в 1791 году Николаевскому редуту (теперь на этом месте — американский город Анкоридж). Отсюда собиратель редкостей для Академии наук совершил несколько путешествий «во внутренность этой страны»: к заснеженным горам Трыыли, к истокам реки, вытекающей из озера Тустамена, на остров Келейн в Кенайской губе. Он прошёл 80 вёрст, проведя глазомерную съёмку и собирая образцы пород на северо-западном побережье Кенайского залива, обнаружил там месторождение каменного угля.

Пролетело короткое, всего два месяца, северное лето. 17 сентября в Кенайском заливе показался компанейский бриг «Квихпак». Через два дня Вознесенский со своим спутником Филатом Дружининым был уже на его борту и вернулся в Павловскую гавань острова Кадьяк. Здесь провёл осень и зиму, но на месте не сидел. На байдаре сплавал в гавань Трёх Святителей, в Игютский и Чиниатский заливы, побывал на нескольких островах. Всюду собирал коллекции растений, камней и изделий аборигенов. Например, купил у одного тойона «11 штук разнохарактерных личин, употребляемых кадьякскими алеутами...» (речь идёт о ритуальных масках). Зимние вечера посвящал разбору собранного материала, упаковывал коллекции и писал отчёт для петербургских академиков. В дневнике появилась запись: «Много покупал свеч стеариновых для вечерних занятий».

В мае 1843 года на борту брига «Охотск» Вознесенский направился на север Берингова моря. Судно посетило острова Уналашка, Унча, Прибылова. 20 июня у острова Св. Лаврентия «Охотск» встретил льды и повернул к берегам Аляски, в залив Нортон, где в 1833 году был выстроен Михайловский редут, самый северный в Русской Америке. Пока бриг стоял на рейде, Вознесенский на байдарке проплыл по реке Уналаклит и приобрёл у местных эскимосов 118 предметов для этнографической коллекции.

Потом «Охотск» снова пошёл на север, но из Берингова пролива повернул на восток, в залив Коцебу. Залив принадлежал уже Северному Ледовитому океану, льды заполняли его и всё окружающее пространство. Снова пришлось повернуть на юго-запад; из Аляскинского залива пошли к берегу Чукотки, а затем — к островам Прибылова и в Ново-Архангельск. Затем пришло известие о том, что командировка петербургского препаратора продлена ещё на 3 года. Зимой он обрабатывал полученные во время плавания материалы, делая новые приобретения у местных жителей и готовясь к новой поездке. В апреле 1844 года на бриге «Промысел» Вознесенский поплыл к Курильским островам.

«Путешествие моё в этом году, — писал он в отчёте, — было самое отдалённейшее от Ситхи и многочисленное по заходам на разные острова...» Полтора месяца шёл бриг до Курильских островов.

На Урупе, острове, образованном из соединившихся своими основаниями вулканов, Вознесенский пробыл до середины июня. Оставил там, в селении, основанном Этолиным в 1828 году, до следующего года своего помощника Филата Дружинина, снабдив подробной инструкцией. От Урупа бриг пошёл к северным островам — Симушир, Парамушир и Шумшу. На них Вознесенский высаживался, знакомясь с природой. 6 июля, через 10 дней плавания, бриг прибыл в Петропавловск-Камчатский. Вознесенский оказался в нём впервые. Прожил там недолго, воспользовавшись попутным галиотом, высадился на два дня на острове Беринга и был необычайно счастлив, обнаружив на берегу череп и кости позвоночника ластоногого животного — морской коровы, описанной спутником Беринга Георгом Стеллером. Это малоподвижное, травоядное животное, питавшееся исключительно морскими водорослями, оказалось очень удобным объектом охоты. Оно оказалось беззащитным перед охотниками, и очень скоро было полностью уничтожено («Стеллерова корова» считается вымершей с конца XVIII века).

На обратном пути галиот «Мореход» попал в шторм, длившийся без перерыва почти три недели. Берингово море сильно потрепало судно, с трудом добравшееся до Ново-Архангельска. На этот раз Вознесенский имел возможность осмотреть окрестности селения: долину реки Колошенская и Колошенские проливы. У индейцев племени колошей он раздобыл немало предметов этнографии. Между тем надвигалась зима. 10 октября он записывает в дневнике: «Два дня, которые были ясные, как весной, и холодные, как ноябрьские на Руси, обязали, казалось, надеяться на столь же хорошую погоду и сегодня, как вчера... но, к досаде, погода изменила. Снег покрыл кровли жилищ Ново-Архангельска... На вершинах гор в продолжение ночи выпало чрезвычайно много снегу».

Воскресенского интересует климат Русской Америки, он ведёт дневник погодных перемен: снежная вьюга сменяется дождём, морозы — оттепелью. Даже в декабре случались ливни, смывавшие с улиц Ново-Архангельска снег.

Очередную посылку с образцами и письма в Академию Вознесенский отправил пароходом Компании Гудзонова залива. Он просил академиков продлить ему срок пребывания на востоке, чтобы провести исследования Камчатки.

Но пришёл «Наследник Александр», и на нём первый, по существу, натуралист Америки отправился в Охотск. В Русской Америке, где он провёл пять лет, остались те, кого он научил препарировать птиц и животных, собирать гербарии и предметы этнографии. Среди них был Лаврентий Загоскин, признававшийся: «...зоолог-препаратор г-н Вознесенский... умел во многих из нас вдохнуть страсть к собиранию естественных предметов в стране, до того столь мало известной учёному свету».