После небольшого ремонта 21 июня 1822 года бриг «Новая Земля» вышел из Архангельска. На борту находилось 48 человек. Гордостью капитана была кожаная алеутская байдара, лично переданная ему Г.А. Сарычевым. Как обычно, лоцманы проводили бриг до выхода из устья реки. Белое море встретило жестоким штормом, преодолевая который парусник двинулся к мысу Канин Нос, где надо было провести первые наблюдения. Но ветер заставил повернуть к другому мысу — Святому Носу и лежащим за ним Иоканьгским островам. Решили бросить якорь и высадиться на одном из них — низменном острове Сальном. Этот зелёный остров весь был усыпан цветущей морошкой и диким луком. Морошка ещё не созрела, луком же можно было запастись на всё лето (кольская морошка была хорошо известна в столице, её каждый год отправляют в «высочайший адрес» к царскому столу).

Литке со своими помощниками сразу же приступил к астрономическим и магнитным наблюдениям. Регулярно измерялись высоты прилива и время его наступления. Между сроками наблюдений учёные на шлюпках отправлялись к другим островам Кольского залива, контуры их наносились на карту. Безымянным островам были даны названия. Литке спешил, пока сохранялась безоблачная погода и круглосуточное полярное солнце не пряталось за облаками. Солнце было нужно для астрономических измерений.

Лопари (саами), жившие на островах, заметили «пришельцев» и проявили большой интерес к тому, чем они занимались. Моряки, в свою очередь, обратили внимание на необычные приёмы рыбной ловли и охоты. Например, сёмгу лопари ловили на приманку, в качестве которой использовали мелкую рыбку песчанку. Русские моряки участвовали в лопарской охоте на зайцев, собирали с ними грибы...

Остров за островом, берег за берегом — так обследован был весь Кольский полуостров. Дошли даже до Екатерининской гавани, в которой сохранились постройки середины XVIII века, когда в гавань заходила русская эскадра. Здесь бывали и англичане, и не один раз. В будущем на берегу самой удобной незамерзающей бухты Кольского полуострова возникнет посёлок Кола, а затем и заполярный город-порт Мурманск. Был описан большой остров Кильдин, а вот остров Витзен, который значился в инструкции морского министра, обнаружить не удалось. Литке решил, что он не существует, хотя на древней голландской карте 1688 года остров изображён, рядом с ним — корабль и шлюпки в погоне за китом. Литке записал в своём отчёте: «Вероятно, какой-то китолов, приняв туман за землю, что, как известно, в возвышенных широтах случается весьма часто, по возвращению в Голландию сообщил мнимое открытие соотечественникам своим».

Русские промышленники, часто ходившие на своих судах в этих местах, никакой земли тут не приметили.

В августе 1822 года Литке повёл бриг к Новой Земле. Льдов было меньше, чем в прошлом году, и на пятые сутки показалась на горизонте куполообразная гора Первоусмотренная, покрытая снегом, её видели в прошлом году сквозь туман. Матрос Смиренников на сей раз опознал видимый им прежде новоземельский берег, вспомнил и бухту Безымянную, и островок в ней.

Теперь уже Литке верил, что удастся найти и Маточкин Шар. Но прошло ещё часов восемь, прежде чем Смиренников узнал островок Паньков, на котором он провёл когда-то лето. Дальше показался мыс Столбовой, островок Матюшев. А вот и пролив, плохо заметный с моря, потому что его закрывают с обеих сторон два мыса — Чёрный и Бараний.

Измерив координаты входа в Маточкин Шар, Литке убедился, что Розмыслов точно нанёс его на карту. Входить в пролив не стали, потому что погода портилась, а нужно было успеть как можно больше заснять западный берег Северного острова.

Бриг пошёл на север вдоль ещё не нанесённого на карту берега. Впервые на карте появились названия мысов, бухт, островов. Некоторые из них давались по именам участников плавания: залив Софронова (Штурман брига), мыс Прокофьева (второй штурман).

Литке вспомнил и своих коллег, и друзей, никогда не видевших Новой Земли. Так появились гора Крузенштерна, остров Сульменова, остров Врангеля. (В эти самые дни Фердинанд Врангель, с которым Литке сдружился во время кругосветного плавания на шлюпе «Камчатка», пробирался на собачьих упряжках вместе с Фёдором Матюшкиным, тоже с «Камчатки», через ледяные торосы Чукотского моря. Между друзьями лежали тысячи вёрст Ледовитого океана).

Литке стремился к северной оконечности Новой Земли. Льдов становилось всё больше, барометр падал. Того и гляди, могла вернуться прошлогодняя погода, помешавшая исследованиям. Судя по карте, мыс Желания был достигнут, и судно повернуло было на восток, чтобы пройти в Карское море. Но утром моряки увидели перед собой ледяной щит, покрывающий север архипелага Новая Земля. Над белой пустыней вздымались остроконечные пики гор, погребённых подо льдом. Карта оказалась неверной, но это был чертёж Баренца, который почти 230 лет назад обогнул мыс Желания.

Литке практически первым открыл ледниковый покров Новой Земли, первым описал её безжизненный облик. Два года назад такое же обилие льда, но ещё более грандиозное, увидели на далёком юге планеты русские мореплаватели Фаддей Беллинсгаузен и Михаил Лазарев, подошедшие на шлюпах «Восток» и «Мирный» к шестому материку Земли — Антарктиде.

В дневнике Литке появилась запись: «Пустота, нас окружающая, превосходит всякое описание. Ни один зверь, ни одна птица не нарушает кладбищенской тишины. К сему месту можно по всей справедливости отнести слово стихотворца:

Чрезвычайная сырость и холод вполне соответствуют такой мертвенности природы... Мы начинаем воображать, что навсегда отделены от всего обитаемого мира...»

Моряки повернули на юг, к Маточкину Шару, но в пролив решили не заходить, опасаясь оказаться в плену льдов на пороге зимы. Литке с группой офицеров сошли на берег пролива у старинного Староверского, давно заброшенного становища, где в пролив впадала крохотная речка Маточка. Когда-то здесь жили поморы. Несколько крестов, полуразвалившаяся изба, опрокинутые карбасы, невода, растянутые на кольях, кресты на могилах... «Маточкой» поморы называли маленький деревянный компас. Этим словом и был назван пролив, разделяющий два острова Новой Земли. Оставшееся время Литке намеревался посвятить осмотру южной оконечности архипелага, но поднявшаяся внезапно буря не позволила продолжить работу. Надежды на улучшение погоды не было, решено было возвращаться в Архангельск.

«Чрезвычайно прискорбно было мне... видеть себя в необходимости оставить недовершённым начатое нами дело... Но нас успокаивала мысль, что причиной тому препятствия физические столько же, как и льды непобедимые...» Эта запись относится к началу сентября 1822 года.

Как и раньше, Литке провёл зиму в Петербурге, отчитываясь за проведённые работы. Их результаты были высоко оценены, и он получил досрочное повышение в звании — стал капитан-лейтенантом, а его спутники были награждены орденами. С твёрдой уверенностью в том, что третья экспедиция завершит обследование берегов Новой Земли, в июне 1823 года Литке вышел на парусном бриге «Новая Земля» из Архангельска. Сильный шторм изрядно потрепал корабль, несколько раз он садился на мель, а потом попал в полосу штиля.

Но состояние неподвижности мало свойственно Белому морю. Северо-западный ветер не заставил себя долго ждать. Бриг снова оказался у Кольского побережья, у Иоканьгских островов. Подробно была описана Териберская бухта, Мотовской залив, полуостров Рыбачий, — он на старых картах изображался как остров, но Литке решил, что перешеек образовался в результате поднятия, и был совершенно прав. Впоследствии было установлено, что вся Скандинавия медленно всплывает, освободившись от придавливавшего её ледяного покрова.