За три дня до прохождения Венеры сенат, наконец, издал особый указ, которым предписывалось выдать Красильникову и Курганову «инструменты исправные», а ключ от обсерватории отобрать у Эпинуса, так как он имеет привычку запираться. Указ предусматривал, что если Эпинус не пожелает производить наблюдения «обще» с Красильниковым и Кургановым, то «отвесть ему другой способный покой при академических же апартаментах». Но Эпинус, подстрекаемый Таубертом, в самый последний момент вовсе отстранился от наблюдений, чем в значительной мере сорвал их успех. Не повезло и Сибирской экспедиции. Румовского, остановившегося в Селенгинке, подвела пасмурная погода. Наблюдения Попова тоже были не совсем удачны.
Собственноручный рисунок M. В. Ломоносова изобретенного им инструмента для определения полуденной линии (1761 г.) (Архив Академии наук СССР).
Самыми успешными и замечательными оказались наблюдения самого Ломоносова, занимавшегося ими у себя дома. Предоставляя вести специальные наблюдения астрономам, Ломоносов решил в свою небольшую трубу «примечать» только начало и конец явления «и на то употребить всю силу глаза, а в протчее время прохождения дать ему отдохновение». Труба, которою пользовался Ломоносов, отличалась сильной хроматической аберрацией и давала четкое изображение только около центра поля зрения. Настало время начала явления, вступление Венеры на диск Солнца опаздывало. Было несомненно, что эфемериды, составленные Эпинусом и другими астрономами, были неточны. Прошло сорок минут. От непрерывного наблюдения Солнца сквозь «весьма не густо копченное стекло» болели глаза. Наконец Ломоносов заметил, что край Солнца на месте ожидаемого вступления Венеры «стал неявственен и несколько будто стушован, а прежде был весьма чист и везде ровен». Ломоносов подумал, что это произошло от чрезмерного напряжения и усталости глаза, и на секунду зажмурился. Но через несколько секунд он заметил, что там, где край солнечного диска был неявствен, появилась ущербность от вступления Венеры. Ломоносов дождался соприкосновения противоположного края диска Венеры с краем Солнца (второй контакт) и отметил, что между этим задним краем Венеры, который еще не вступил на диск Солнца, и краем самого Солнца показалось «тонкое как волос» сияние. Через пять часов Ломоносов приступил к наблюдению схождения Венеры с диска Солнца. И вот, «когда ее передний край стал приближаться к солнечному краю и был около десятой доли Венериного диаметра, тогда появился на краю солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила». «Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера показалась вдруг без края». Конец явления, как теперь отчетливо заметил Ломоносов, также ознаменовался размытостью и неясностью солнечного края. Все это были явления совершенно новые, никогда ранее не наблюдавшиеся и не описанные астрономами.
Ломоносов сделал из своих наблюдений смелые и глубокие выводы, что «планета Венера окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около, нашего шара земного». Неясность края диска Солнца и все остальные явления объясняются вступлением на диск Солнца атмосферы Венеры, рассеивающей и поглощающей солнечные лучи. Ломоносову принадлежит честь этого важного открытия, которым он вписал блестящую страницу в летопись русской астрономии. Наблюдения Ломоносова были опубликованы в том же 1761 году особой брошюрой на русском и немецком языках.