Дмитрий Орлов возглавил первую зимовку в Петровском. Николай Бошняк стал начальником Николаевского поста. Первые поселенцы жили в землянках и юртах, постепенно заготовляя лес для строительства домов.

Для походов обычно использовали зимнее время и позднюю осень. Первым осмотреть залив Де-Кастри (название дал ещё Лаперуз) Невельской направил Николая Чихачева. Свой план экспедиции тот раскрыл Невельскому в письме, отправленном из Николаевского поста 6 ноября: «Для непременного исполнения сего я еду прямо туда, взяв в соображение рыхлость снега и трудность дороги по лесам в настоящее время».

Работа в заливе Де-Кастри заняла весь декабрь. Залив был заснят, причём не оказалось почти никаких расхождений с картой, составленной Лаперузом в 1788 году, — она оказалась очень точной. Но южнее этого залива никаких неровностей береговой линии ни Лаперуз, ни Крузенштерн не заметили. Между тем нивхи рассказывали Чихачеву о большом заливе, который они называли Хаджи.

К Новому году все отряды собрались в Петровском: Чихачёв, Бошняк, Орлов, побывавший в верховьях Амгуни и на озере Уда (называемом гиляками Чля). Невельской выслушал отчёты своих соратников и поделился планами на будущий 1852 год. Ожидался приезд великого князя Константина, собирающегося проплыть по Амуру от Шилки до Николаевского поста. Для этого планировалось построить пароход, первый на Амуре. Он с мощностью машины 50 л. с. действительно был заложен на верфи в Петровске-Забайкальском. «Высочайшее путешествие» не состоялось, но, готовясь к нему, Нейельской организовал описание правого берега Амура.

21 февраля по указанию Невельского Николай Бошняк отправился в своё первое путешествие — на Сахалин: по сообщению нивхов, на острове, южнее мыса Погиби, на поверхность выходили залежи каменного угля. Нивхи делали из него пуговицы.

Бошняк вышел из Петровского вдвоём с нивхом по имени Позвейн. О своём отъезде на Сахалин он вспоминал: «...мне дано было: нарта, собаки, дней на 35 сухарей, чаю да сахару, маленький ручной компас, а главное — крест Невельского и ободрение, что, если есть сухарь, чтобы утолить голод, и кружка воды напиться, то с Божьей помощью дело делать ещё возможно».

Невельской сам проводил Бошняка, который последние дни перед выходом жил в его доме. У Невельского недавно родилась дочь Екатерина, которую отец называл «амурской барыней»...

По заснеженному льду лимана собаки быстро домчались до острова Лангр, самому узкому месту Татарского пролива, и к мысу Погиби, здесь путешественники остались на ночлег в нивхском селении. Следующий привал — у мыса Тык, к югу от которого характер берега изменился. Ровная и низменная местность стала пересечённой: всё чаще попадались холмы с крутыми уступами и проступающими в них вкраплениями угля. Потом появились обрывистые гранитные скалы, обходить их, как прежде, было нельзя: под самыми скалами плескалось свободное ото льда море. Пришлось подниматься в горы. Слои угля в обрывах появлялись всё чаще, у селения Дуэ прямо на поверхности обнажались столь мощные пласты, что можно было уже говорить об открытии месторождения, пригодного для разработки. От мыса Погиби до Дуэ Бошняк тщательно обследовал всё побережье с точки зрения возможности подхода кораблей, которые могли бы грузиться углём. Но не нашёл ни одного удобного залива или бухты. «Все заливы, — писал Бошняк Невельскому, — очень мелководны почти до самых мысов, открыты западным ветрам и испещрены каменными рифами».

Второе задание, выполнявшееся Бошняком на Сахалине, — исследование крупнейшей реки острова — Тымь, впадающей в Охотское море. Передвигаться было трудно: путь к верховьям Тыми лежал через горный перевал. Поднимаясь к нему, проводник Позвейн стер ноги и еле мог идти. Пришлось Бошняку оставить его с собаками и нартой в нивхском селении, продолжив путь по долине Тыми одному. Он шёл на лыжах, взяв с собой лишь самое необходимое. С большим трудом удалось нанять за большие деньги проводника, он долго не соглашался, потому что никак не мог понять, зачем русский идёт по реке к морю, когда ещё не начался сезон рыбной ловли.

Бошняк производил съёмку, записывал свои наблюдения, собирая данные о населении Сахалина и их образе жизни. Он обнаружил следы пребывания в этих местах русских. В селении Чхар нивхи подарили ему лист из часослова, на котором было написано: «Мы, Иван, Данила, Пётр, Сергей и Василий, высажены в айнийском селении Тамари-Анива Хвостовым 17 августа 1805 года; перешли на реку Тымь в 1810 году в то время, когда на Тамари пришли японцы». Сохранились развалины жилища этих русских, прибывших с экспедицией Крузенштерна и Лисянского. Нивхи ничего плохого о русских не могли сказать, жили с ними дружно, двое были даже женаты на нивхских женщинах.

У Бошняка закончились сухари, сахар и чай, он питался лишь солёной рыбой-юколой и мороженой брусникой. Но всё же дошёл до залива, в который впадает Тымь, и составил подробное описание реки. Залив, отделённый от моря узкой песчаной косой, он подробно описал в своём дневнике.

Только завершив эту работу, Бошняк решил возвращаться. Измученному и истощённому, ему предстояло пройти около четырёхсот километров, в мешке за плечами были образцы горных пород. Это был поистине героический поход, когда Бошняк перешёл перевал, то сам о себе записал: «...весь ободранный, голодный, бывши не в состоянии ходить от образовавшихся на ноге нарывов». К счастью, на полпути он встретился с дожидавшимся его Позвейном с собачьей упряжкой. Правда, корма для собак было мало, нарты тащить было тяжело, и людям приходилось впрягаться вместе с животными. 3 апреля, после полуторамесячного путешествия по Сахалину, Бошняк был уже в Николаевском.

Это было первое самостоятельное путешествие молодого лейтенанта (ему шёл лишь 22-й год), и оно принесло большие открытия на Сахалине. В тысячевёрстном пути ноги Бошняка так пострадали, что он дней десять мог передвигаться только на костылях, а ещё и жить приходилось в землянке, но настроение было радостное.

В соответствии с приказом Невельского по экспедиции, до начала лета Бошняк совершил второе путешествие — по Амуру. В середине апреля ещё лежал снег, последняя зимняя пурга обрушилась на лейтенанта и его спутника казака Парфентьева, как только они отошли немного от Николаевска. А наутро началась весна. Быстрое таяние снега создало новые трудности: лёд на Амуре утончался, возникали полыньи, частенько проваливались в воду и нарты, и собаки, и сами путешественники. После купания в ледяной воде спасаться можно было только в юртах нивхов.

Пока Амур не освободился ото льда, Бошняк занялся этнографическими изысканиями, собрав большой материал, касающийся образа жизни нивхов и нелегально приезжающих к ним для торговли маньчжур. Приходилось выступать ему и в роли врача, приходя на помощь больным нивхам, которые были уверены, что «лучо» — русские — умеют лечить от всех болезней.

Потом, когда Бошняк описал озеро Кизи и вернулся в Николаевский пост, Невельской решил перенести сюда штаб экспедиции из Петровского. Летом Бошняк, по его указанию, занимался строительством главного поста на Амуре. Однажды все первопоселенцы стали свидетелями падения метеорита: прямо в Амур с шипением и треском упал огромный огненный шар. Сначала он летел с большой скоростью по небу, приблизился к земле, вызвав панический страх в равной степени у нивхов и русских, которые восприняли явление как конец света. Нивхи объясняли падение метеорита по-своему: это разгневанная душа их убитого накануне сородича. Научное же объяснение Бошняка было трудно понять первым поселенцам Николаевского поста.

Вскоре от Невельского пришло новое распоряжение: подготовить основание постов на озере Кизи и в заливе Де-Кастри. Тем временем Николаевский пост оказался в тяжёлом состоянии из-за недостаточного завоза продуктов. Появились случаи заболевания цингой: первой умерла дочь Геннадия Ивановича Невельского.