Предостережения Муравьева побудили Николая I образовать 29 января 1849 г. Особый комитет для обсуждения амурской проблемы. Комитет не замедлил вынести решение о посылке экспедиции для обследования устья Амура34.
Не дождавшись этого решения, летом 1849 г. капитан-лейтенант Г. И. Невельской35 по своей инициативе, при поддержке Н. Н. Муравьева, отправился на военном транспорте «Байкал» от берегов Камчатки, куда он доставил грузы Российско-Американской компании, к Сахалину и устью Амура. Обогнув северную часть Сахалина, мыс Елизаветы и мыс Марии, открытые еще Крузенштерном, прошел вдоль западного берега, открыл залив Обманчивый, названный позднее Байкальским, обогнул мыс Головачева и вошел в устье Амура. В результате исследований 1849—1855 гг., вошедших в историю под названием Амурской экспедиции, Невельской доказал, что устье Амура доступно для входа морских судов, что Сахалин не полуостров, а остров и отделяется от материка судоходным проливом.
Тогда на левом берегу Амура практически не было китайцев. Временами наезжавшие маньчжурские купцы, как говорится, драли три шкуры с народов левого берега Амура. Нивхи (гиляки) и ольчи в низовьях Амура не платили дань цинскому правительству. По данным русских исследователей, различные племена и народности Приамурья насчитывали от 15 до 20 тыс. человек, таким образом, эта огромная территория была почти не заселена36.
1 (13) августа 1850 г. Невельской на мысе Куегда поднял русский флаг в основанном им посту Николаевском (ныне Николаевск-на-Амуре)37.
В 1855 г. появились и русские поселенцы — крестьяне из Иркутской губернии, а позже и из Европейской России. В 1858 г. в Амурской области насчитывалось 8 тыс. человек, всего же в пределах Дальнего Востока — 359 тыс.38. Русские поселения на Амуре получили одобрение русского правительства и не вызвали возражений со стороны Китая и Японии, не имевших на этой территории своего населения.
При Муравьеве с высочайшего утверждения в 1851 г. для подготовки занятия русскими войсками устья Амура в Восточной Сибири было образовано из казенных крестьян Забайкальское казачье войско39.
По своей инициативе Невельской объявил весь Приамурский край (с малочисленным местным населением) и о. Сахалин, не принадлежавшие другим государствам, владением России.
В сентябре 1853 г. по предписанию из Петербурга был поднят русский флаг в заливе императора Николая (ныне Советская Гавань) и в южной части Сахалина, в основанном здесь Муравьевском посту40 (ныне Корсаков). Именем Невельского названы часть пролива между о. Сахалин и материком, мыс в этом проливе, залив, гора и город на Сахалине41.
Вопрос о Приамурье и Сахалине стал особенно важным для российского правительства в осложнившейся международной обстановке в период «опиумных» войн (1840—1842, 1856—1860 гг.)42 и обострения противоречий России с Англией и Францией на Ближнем Востоке. В Петербурге были также весьма озабочены хозяйничаньем американских китобоев в Охотском море.
Во время Крымской войны по разрешению Николая I вниз по Амуру для усиления обороны Тихоокеанского побережья были отправлены около 150 больших и малых судов, три отряда русских войск (1 000 солдат и офицеров) с оружием и снаряжением43.
Н. Н. Муравьеву еще в 1854 г. были даны полномочия для ведения переговоров с Китаем о присоединении к России Приамурья.
Александр II, вступив на престол, подтвердил полномочия, данные Муравьеву императором Николаем I.
Уже летом 1855 г. Муравьев предъявил требования китайским уполномоченным, прибывшим в Мариинский пост, о возвращении России левого берега Амура. Но представители Китая отвечали на это уклончиво и условия Муравьева переслали в Пекин. Весной 1856 г. в Петербурге Муравьев получил от Александра II дополнительные полномочия, которые дали ему возможность действовать более энергично и решительно44. Вскоре по левобережью Амура были расставлены охранные казачьи посты, превратившиеся в дальнейшем в казачьи станицы и первые русские города. Результаты усилий Н. Н. Муравьева по заселению региона были настолько успешны, что уже в конце 1856 г. было принято решение учредить Приморскую область (с центром в г. Николаевске), включавшую в свой состав низовья Амура, Камчатку и Удский край45.
Правительство Китая, не выражая протеста в отношении мероприятий Муравьева на Амуре, предложило ускорить начало переговоров о разграничении приамурских земель.
В октябре 1856 г. Англия предприняла новое нападение на Китай, подвергнув варварской бомбардировке г. Кантон. Внутри Китая набирало силу Тайпинское восстание46.