Порт Рио-де-Жанейро «Восток» и «Мирный» покинули 22 ноября 1819 года. Начался южно-полярный поход. Оба шлюпа были построены на российских верфях, перед выходом из Кронштадта корпуса были укреплены дополнительной обшивкой. Экипаж «Востока» составляли 117 человек, «Мирного» — 73 человека.

Почти через месяц, 15 декабря, корабли встретили первый участок суши — остров Южная Георгия с расположенным рядом небольшим островом Уиллиса. (Оба эти острова открыл в 1775 г. Джеймс Кук, прошедший вдоль северо-восточного берега Южной Георгии). Российская экспедиция, проведя у острова двое суток, впервые нанесла на карту юго-западный берег острова, соединив свою съёмку с тем, что было сделано Куком. Русские названия были даны мысам острова — Порядин, Демидов, Куприянов. Залив имени Новосильского. Был открыт также небольшой остров, названный именем участника экспедиции лейтенанта Анненкова.

Через четыре дня появился первый айсберг. А ещё через несколько дней показался остров с высокой заснеженной вершиной, который Кук, не заметив других островов по соседству, назвал Землёй Сандвича. Беллинсгаузен и Лазарев установили, что это архипелаг, ему дали имя — Южные Сандвичевы острова. Три впервые обнаруженные острова обозначили именами участников экспедиции — Леонова, Завадовского и Торсона.

На острове Завадовского, плотно населённом пингвинами, моряки поднялись до половины склона действующего вулкана высотой 366 м. 29 декабря встретили ещё один остров, названный Куком островом Сандерса. Чуть дальше на юг корабли были окружены льдами с вкрапленными в них айсбергами. Приходилось лавировать, пробивая путь. Именно в этом месте Джеймс Кук пришёл к выводу о невозможности дальнейшего продвижения к Южному полюсу. Кук записывал в феврале 1775 года в своём путевом журнале: «Риск... настолько велик, что я смело могу сказать, что ни один человек никогда не решится проникнуть на юг дальше, чем это удалось мне. Земли, что могут находиться на юге, никогда не будут исследованы...»

Капитаны «Востока» и «Мирного», хорошо зная о предупреждении великого мореплавателя, всё же продолжали идти вперёд. Чаще и чаще встречались льды, угрожая захватить суда в плен или вообще раздавить. Наконец, путь на юг был полностью перекрыт монолитным ледяным полем. Суда двигались вдоль его кромки на восток, но, как только встретился проход среди льдов, снова прокладывали курс прямо на юг. Пересечён был Южный полярный круг. 16 января, когда шлюпы находились в точке с координатами 69°21’ 28" ю. ш. и 2°14' 50" з. д., на горизонте выступила сверкающая ледяная стена, возвышающаяся над ровным ледяным полем. Казалось, что это облака, но слишком уж протяжёнными они были. Трижды приближались суда к этому ледяному барьеру, двигаясь на юго-восток: 16 января, 21 января и 5 февраля — и все эти дни белая стена тянулась на горизонте. Это был ледяной берег Антарктического материка.

На широте 69°25’ ближе всего (миль на двадцать) суда приблизились к берегу. На навигационной карте «Востока» Беллинсгаузен оставил запись: «Видели сплошной лёд». Через несколько часов к этому же месту подошёл «Мирный», и Лазарев записал: «...встретили матёрый лёд чрезвычайной высоты и в прекрасный тогда вечер... простирался оный так далеко, как могло только достигнуть зрение...»

...Приближалась зима, и, находясь в Индийском океане, в феврале суда повернули к берегам Австралии. Каждое судно шло своим курсом, чтобы полнее обследовать морское пространство: не обнаружатся ли ещё не открытые острова. Прошло лишь чуть больше двух десятилетий после того, как в этих местах ветер гнал корабли Кука «Резолюшен» и «Эдвенчер» в его последнем кругосветном плавании. Путь «Мирного» прошёл на три-пять градусов южнее куковского «Эдвенчера». Здесь должна бы находиться помещённая на карту испанцами Земля Компании. Но Лазарев вынужден был «закрыть» это «открытие» — земли не было. «Восток» и «Мирный» стали на якорь в порту Джексон (Сидней) 30 марта 1820 года. Шлюпам предстоял ремонт, а экипажу — отдых и подготовка к новому плаванию.

Беллинсгаузен направил из Австралии первый отчёт морскому начальству в Петербург. Он сообщал: «Здесь за ледяными полями мелкого льда и островами виден материк льда, коего края отломаны перпендикулярно и который продолжается по мере нашего зрения, возвышаясь к югу, подобно берегу...»

В мае суда снялись с якоря, направившись в тропические воды. В архипелаге Туамоту большая островная гряда была названа Беллинсгаузеном островами Россиян; в ней только один остров — Паллисера — открыт Куком, остальные — мореплавателями «Востока» и «Мирного» и, частично, Коцебу, побывавшим здесь на «Рюрике». Целая россыпь русских имён появилась на карте архипелага Туамоту: Аракчеева, Кутузова, Барклая де Толли, Остен-Сакена, Раевского, Чичагова.., всего — 13 островов. К сожалению, большая часть из них сейчас переименована, но честь открытия осталась за русскими. Открыв ещё несколько до того неизвестных островов в Полинезии, шлюпы вернулись в Сидней. А 31 октября 1820 года они вновь вышли в море, взяв курс на виденные в начале года ледяные берега неведомого материка.

«Восток» и «Мирный» шли на восток вдоль кромки льда, лавируя между айсбергами, то и дело возникавшими на пути. Прошло два месяца изнурительного плавания по пустынному океану. Трижды моряки пересекали полярный круг, но земли не видели.

Настал 1821 год. 10 января на горизонте возникло чёрное пятно: это был вулканический остров, покрытый льдом. Ему было дано имя Петра I. Этот необитаемый остров и сейчас так называется, площадь его всего 250 кв. км. Через неделю кораблям встретилась ещё одна не обозначенная на карте земля. «В 11 часов утра мы увидели берег; мыс оного, простирающийся к северу, оканчивался высокою горою, которая отделена перешейком от других гор. Сей берег покрыт снегом, но осыпи на горах и крутые скалы не имели снега... Берег обширен... состоит не из той только части, которая находилась перед глазами нашими».

На карте появилась надпись — «Берег Александра I». «Я называю сие берегом потому, что отдалённость другого конца к югу исчезала за предел зрения нашего», — пояснял Беллинсгаузен.

Впереди были пролив Дрейка и Южные Шетлендские острова, открытые два года назад англичанином Уильямом Смитом. Никем не исследованные, они не были нанесены на карту. Подходя к ним, из-за ненастной погоды русские мореходы двинулись вдоль вытянутого на 1200 км Антарктического полуострова. Южные Шетлендские острова и пролив Дрейка как бы продолжали узкий «отросток» континента. Беллинсгаузен впервые заснял эту группу из 11 больших и множества мелких островов общей площадью более 4000 кв. км.

Острова получили русские названия, но на этот раз не людей, а географических мест, связанных с победами русской армии и союзников над Наполеоном в 1812 году: Бородино, Малый Ярославец, Смоленск, Березина, Полоцк, Лейпциг, Ватерлоо. От Южных Шетлендских островов было совсем недалеко до Южной Америки, и 5 марта 1821 года шлюпы уже находились на рейде Рио-де-Жанейро. Два месяца на кораблях производился ремонт, после чего они отправились через Атлантический океан на родину. 24 июля были в Кронштадте.

В плавании, продолжавшемся 751 день, было пройдено 92 256 км. Открыто было в Индийском и Тихом океанах 29 островов и 1 коралловый риф. Но главное — человечеству стал известен ледяной материк Антарктида, были примерно определены его размеры и даже местоположение Южного магнитного полюса. По данным 203-х измерений склонений компаса установлено, что в те времена полюс находился на 76° ю. ш. и 142°30’ в. д. Эти данные Крузенштерн переслал знаменитому математику Карлу Фридриху Гауссу, который опубликовал их, сославшись на Беллинсгаузена, в Лейпциге в 1840 году.

Впервые наиболее полно для того времени был охарактеризован климат Антарктики и составлена первая классификация антарктических льдов.