Сарычев привлек к участию в экспедиции знающих людей. В числе их были гижигинский капитан Тимофей Шмалев, составитель описаний и карт Чукотки, Камчатки и Аляски; храбрый мореход Гаврила Прибылов, незадолго до этого открывший на севере Тихого океана острова с несметными пушными богатствами; сотник Иван Кобелев, исследовавший Берингов пролив, и казак-чукча Николай Дауркин, располагавший богатыми сведениями об Аляске. Были в экспедиции и другие скромные труженики, беззаветно помогавшие Сарычеву в его почетном деле.
Экспедиция прибыла в Нижне-Колымск, построила там два корабля и летом 1787 года вышла из устья Колымы в океан. Но обогнуть Чукотский полуостров и выйти в Берингов пролив не удалось. По приказу Беллингса корабли вернулись от Баранова камня обратно. Сарычев же настаивал на продолжении плавания в Тихий океан и разведывании пути сквозь льды на байдарках.
Сарычев высказал догадку о связи Ледовитого океана с океаном Восточным. У Баранова камня он нашел древний русский крест, приметный знак мореходов, которые около 1640 года плыли отсюда на кочах к Тихому океану.
Мечта открыть морскую дорогу в Индию и Китай из полярной Сибири не покидала Сарычева. Перейдя с Колымы на Индигирку, он подсчитал, что оттуда да берегов Индии пять тысяч верст. Это расстояние можно было преодолеть на корабле при хорошем попутном ветре в тридцать днем.
Между Индигиркой и Алданом лежала необитаемая область, где возвышался дикий Верхоянский хребет. Этим путем Сарычев ехал в Якутск. Биллингс, как и раньше, налегке обогнал своего трудолюбивого помощника.
В Якутске Сарычев встретил нежданного гостя из Америки. Капрал в английской экспедиции Кука, а теперь — полковник армии Соединенных Штатов, некий Ледеард, или Ледеардс, задумал якобы пешее путешествие вокруг света. До Якутска он прекрасным образом, не потрудив ног, доехал, пользуясь добросердечием русских ямщиков. Жители Якутска кормили и поили Ледеарда, дали ему теплую одежду. Он уверял всех, что дойдет до Берингова пролива и через Аляску и Канаду вернется в свое второе отечество.
Кончилось пребывание этого «пешехода» в Якутске тем, что, облагодетельствованный простодушными горожанами, он тем не менее «стал говорить обо всех худа и обходиться дерзко». Дебоши Ледеарда всем надоели, и якутский комендант потребовал, чтобы заморский гость вел себя более пристойно. Тот прикинулся оскорбленным и вызвал коменданта Маркловского на поединок. Биллингс, спасая Ледеарда от неприятных последствий, немедленно повез его в Иркутск
Сарычев принялся за подготовку плавания к Берингову проливу и Америке со стороны Охотска. Это был самоотверженный и героический труд, сопряженный с опасностями и тяжкими лишениями. Поездка на устье реки Май, возвращение в Якутск, новый поход в Охотск, постройка кораблей, опись устьев Охоты и Кухтуя и части морского охотского побережья, составление плана Охотска…
Осенью 1789 года на корабле «Слава России» Сарычев вместе с Биллингсом вышел из Охотска. На пути к Курильским островам был открыт остров Св. Ионы в Охотском море. Достигнув Камчатки, Сарычев провел там значительные исследования. Описав просторы Авачинской губы, ученый-моряк наметил ее в качестве порта для будущей торговли со странами Америки, Ост-Индией, Китаем, Японией. Во всем этом было видно влияние мыслей Ломоносова!
1790 год застал экспедицию у берегов Алеутских островов. Сарычев делал промеры заливов, посещал поселения русских промышленников и алеутские деревни Унимак, Уналашка, Шумагинские острова, Кадьяк и, наконец, Кенайский и Чугацкий заливы на побережье Северо-Западной Америки… Экспедиция достигла острова Каяка, где исследователь увидел исполинскую гору Св. Ильи на американском берегу.
Далее Сарычев намеревался изучить южную часть Аляски, но Биллингс отдал распоряжение возвращаться на Камчатку. Сарычев воспротивился этому и сказал, что он готов остаться на всю зиму в Чугацком заливе с тем, чтобы продолжить исследования американского берега. Но Биллингс был неумолим, и Сарычев скрепя сердце повел корабль в сторону Камчатки. Экспедиция была обречена на бесцельную зимовку в Авачинской губе.
Плавание 1791 года началось с того, что Биллингс проложил путь корабля не по надежным русским картам, а по иноземной. В итоге «Слава России» едва не налетела на скалы острова Медного. Оказалось, что этот остров на английской карте был расположен много южнее, чем это было в действительности. Путь, избранный Биллингсом, вел корабль прямо в середину острова, то есть к верной гибели!