Отстояв первую зиму у берегов Таймыра, «Заря» более чем через год после старта, 9 сентября 1901 года, оказалась в районе предполагаемой «Земли Санникова». «Малые глубины говорят о близости земли, - записывает Толль в дневнике, - но до настоящего времени ее не видно». Матрос из «вороньего гнезда» разглядел только подковообразный ледовый пояс, а за ним - полосу свободной воды. «...У меня закрадываются тяжелые предчувствия... но довольно об этом!» На следующий день сгустился тяжелый туман. Дальнейшие поиски были бессмысленны, Толль неожиданно почувствовал облегчение: «Теперь совершенно ясно, что можно было десять раз пройти мимо Земли Санникова, не заметив ее».
16 сентября в лагуне Нерпалах, у западного берега острова Котельный, судно встало на вторую зимовку.
Начало зимовки было радостным. Экипаж «Зари» встретился с участниками отряда геолога К. А. Воллосовича, который все лето 1901 года готовил на островах страховочные продовольственные склады для экспедиции. Константин Адамович Воллосович был ярким, темпераментным человеком, великолепным рассказчиком, и общение с ним подарило Толлю много приятных часов. В составе отряда были и другие образованные, близкие по духу люди, среди них двое политических ссыльных - инженер-технолог М. И. Бруснев и студент О. Ф. Ционглинский.
Сам К. А. Воллосович оценивал свои научные успехи скромно, сетуя на то, что сложные обязанности по устройству складов не позволили отдаться полностью научным изысканиям. А между тем именно Воллосович, основываясь на собственных наблюдениях и частично на материалах Э. В. Толля, высказал ряд оригинальных идей о геологии островов: система тектонических разломов разбивает палеозойские отложения западной стороны Котельного и формирует ее рельеф и конфигурацию берега; возраст базальтов, развитых в долине Балыктаха, молодой; третичные отложения в отличие от послетретичных смяты в складки подобно древним толщам (вопрос о наличии кайнозойской складчатости много лет после этого вызывал споры, и, очевидно, только исследования нашей экспедиции в районе Деревянных гор и на стрелке Анжу окончательно подтвердили мысль К. А. Воллосовича).
В течение зимы «Заря» работала как стационарная метеорологическая и геофизическая наблюдательная станция. Осуществлялись кратковременные маршруты на собаках. В январе Толль покинул яхту и направился в район Святого Носа, чтобы забрать там почту и отправить свою. Кто ждал в тундре почтовый самолет, тот легко поймет, почему Толль отправился в трехмесячный поход на материк.
А ранней весной, когда было еще далеко до освобождения «Зари» из ледового плена, было принято решение направить в дальние маршруты две партии. 11 мая трое под начальством зоолога А. А. Бялыницкого-Бирули вышли на Новую Сибирь, а 5 июня Э. В. Толль, астроном Ф. Г. Зееберг и двое промышленников - Василий Горохов и Николай Дьяконов - взяли старт похода по маршруту Котельный - Фаддеевский - мыс Высокий на Новой Сибири - остров Беннетта. В феврале 1920 года на допросе в Иркутском ревкоме неудавшийся «верховный правитель России» адмирал Колчак, который ходил на «Заре» гидрографом, вспоминал: «Шансов было очень мало, но барон Толль был человеком, верившим в свою звезду, в то, что ему все сойдет, и пошел на это предприятие». Между тем Эдуард Васильевич Толль отнюдь не был склонен к авантюризму. Это был аналитик, вдумчивый и дотошный до педантизма исследователь, с огромным чувством ответственности. Именно как аналитик он рассчитал, что ограниченные запасы угля скоро заставят «Зарю» уйти и новой возможности увидеть «Землю Санникова» - а Толль именно с этой надеждой шел на остров Беннетта, - быть может, не представится никогда.
Предполагалось, что осенью «Заря» снимет обе партии. Но ледовая обстановка сложилась крайне тяжелой, и судно не смогло пробиться ни к острову Беннетта, ни к Новой Сибири. После трех неудачных попыток, оказавшись перед угрозой нехватки угля, лейтенант Ф. А. Матисен, остававшийся за командира «Зари», принял решение следовать в бухту Тикси. Можно представить себе чувство, с каким подходил он к берегу - без Толля и без Бялыницкого. Профессор В. Ю. Визе пишет прямо, что решение Матисена стоило жизни Э. В. Толлю и его спутникам. Однако в материалах тех лет (а сохранилось много печатных и архивных документов Академии наук, связанных с Русской полярной экспедицией) нет ничего, что бросало бы тень на действия Матисена. Очевидно, современники, лучще видевшие конкретную обстановку, понимали, что другого выхода не было.