Флиндерс намеревался выйти в море 3 января 1802 г., но неблагоприятный ветер задержал его в бухте еще на два дня. 5 января при умеренном ветре и прекрасной погоде «Исследователь» покинул бухту Кинг-Джордж, чтобы продолжить дальнейшее изучение южного побережья Повой Голландии.
Поражает, с какой тщательностью изо дня в день Флиндерс сам, никому не перепоручая, исследовал побережье. Он старался вести корабль как можно ближе к берегу. Когда же туман, течения и ветры заставляли Флиндерса отходить от берегов на безопасное расстояние, он поднимался на топ-мачту и продолжал свои наблюдения. Наброски, сделанные за день, Флиндерс каждый вечер наносил на черновую карту. Впоследствии он писал: «Мое решение видеть и зарисовать каждую деталь собственноручно требовало постоянного внимания и большого труда, но благодаря этому я достигал той степени точности, которую желал».
Флиндерс благополучно прошел архипелаг Решерш, но у островов Ньютс его ждала неприятность. Корабль опять стал давать сильную течь. 1 февраля уровень волы в трюме поднимался за час на три дюйма, а на следующий день — на шесть дюймов. К счастью, течь удалось приостановить.
Флиндерс был строгим и взыскательным командиром, не делавшим поблажек никому, в том числе и родному брату. Он заметил, что Сэмюэл относится к службе без должного рвения. «Второй лейтенант, — записал Флиндерс в судовом журнале, — не оказал мне той помощи в астрономических и картографических исследованиях, которую я от него ожидал, и ему было приказано самому производить наблюдения по ночам». В результате, как отмечал Флиндерс, «гордость заставила его работать и днем с той старательностью, с которой он помогал мне раньше».
В воскресенье 21 февраля случилось несчастье. Владелец «Исследователя» Джон Тистл, участвовавший в плавании, был послан с несколькими матросами на берег за пресной водой. В семь часов вечера с корабля заметили возвращавшуюся лодку с Тистлом и его спутниками. Но внезапно она исчезла. Немедленно была спущена другая лодка, поисковую группу возглавил лейтенант Фоулер. В половине десятого вторая лодка возвратилась. Фоулер сказал, что никаких следов лодки Тистла найти не удалось, да и его лодка едва не была перевернута сильным приливом.
Спустившаяся темнота не позволила Флиндерсу продолжать поиски. С рассветом они возобновились. Три дня искали исчезнувшую лодку. Все, что было обнаружено, — это отпечатки ног на берегу, парус и рея, плавающие недалеко от берега. В среду стало ясно, что никого из погибших найти не удастся, и Флиндерс вынужден был прекратить поисковые работы. Экспедиция понесла весьма ощутимую потерю: погибло восемь человек. Особенно тяжела для Флиндерса была смерть Джона Тистла, который являлся, как он писал, «действительно ценным человеком как моряк, офицер и добрый друг. Я знал его с 1794 г., и с того времени мы были почти всегда вместе». Место гибели Тистла и его спутников Флиндерс назвал мысом Катастроф. Он продолжал изучение этого района. 24 февраля члены экипажа, обследовавшие побережье, сообщили Флиндерсу, что к востоку от мыса видели залив. На следующий же день Флиндерс приказал плыть туда. Обогнув мыс Катастроф, «Исследователь» вошел в чудесную гавань, самую красивую на всем южном побережье. До 4 марта Флиндерс подробно изучал обнаруженный залив, который он назвал Порт-Линкольн. Двигаясь к северу от Порт-Линкольна, Флиндерс открыл широкий залив, названный им в честь первого лорда Адмиралтейства заливом Спенсера. Две недели исследовал Флиндерс его берега. Выйдя из залива с восточной стороны, Флиндерс обнаружил большой остров. Высадившись на нем, англичане увидели огромные стада кенгуру. Два дня они охотились, заготовляя мясо на дальнейший путь. Флиндерс назвал открытую им землю островом Кенгуру. Затем Флиндерс вернулся назад, к восточному берегу залива Спенсер, и, обогнув мыс Спенсер, через пролив, названный им проливом Инвестигейтор в честь своего судна («Исследователь» по-английски «Инвестигейтор»), вошел в новый залив, который был назван заливом Сент-Винсент. Шесть дней Флиндерс изучал его берега, а затем через пролив Бакстерс вышел в открытое море и направился дальше на восток.
Вечером 8 апреля вахтенный на «Исследователе» сообщил, что видит впереди белый пирамидальный риф. Очень скоро было установлено, что это французское судно «Географ» под командой Бодена. Флиндерс несколько раз посещал «Географ», Капитаны познакомили друг друга с результатами своих исследований южного побережья Новой Голландии. Флиндерс рассказал о плавании к востоку от мыса Луин, в частности о заливе Спенсер, заливе Сент-Винсент и острове Кенгуру, а Боден — о Бассовом проливе. Французского капитана весьма заинтересовало предположение Флиндерса о существовании пролива, разделяющего Новую Голландию на две части.