После полуторамесячного ремонта во Владивостоке и после прибытия начальника экспедиции полковника Корпуса флотских штурманов И. С. Сергеева 17 августа 1917 года экспедиция отправилась на север. Основные ее задачи: морская опись берегов Северного Ледовитого океана к западу от мыса Дежнева, а также близлежащих островов, определение астрономических пунктов, промер, гидрометеорологические, магнитные, ледовые наблюдения, изучение морских течений, сбор зоологических и биологических коллекций и материалов для составления лоций, сооружение навигационных знаков…
Прошли Берингов пролив, приступили к определению координат знака-маяка, сооруженного частью команды под руководством Брусилова на северном берегу мыса Дежнева. На морских картах до последнего времени он так и назывался — «знак Брусилова». По свидетельству сменившего Э. Арнгольда врача экспедиции (1910–1915) Леонида Михайловича Старокадомского, именем которого назван один из островов Северной Земли, Брусилов был жизнерадостным, энергичным, смелым, предприимчивым и хорошо знающим морское дело офицером, но он не обладал значительным полярным мореходным опытом.
Пройдя 30 миль к западу от чукотского селения Уэлен, встретили льды. Температура воздуха ночью упала до минус 7 градусов, начался сильный снегопад, видимость упала почти до нуля. Опытный гидрограф, но нерешительный в своих действиях командир, И. С. Сергеев приказал повернуть назад. Может быть, именно в этот момент, когда была очевидна возможность дальнейшего продвижения на запад, у Брусилова окончательно и вызрела мысль собственной экспедиции. Плавания Семена Дежнева и других отважных русских мореходов прошлого были полузабыты, поэтому долгое время чуть ли не считалось, что первым Северным морским путем в 1878–1879 годах прошел шведский мореплаватель Эрик Норденшельд, частично субсидированный русским промышленником, меценатом и исследователем Сибири А. М. Сибиряковым. И Г. Л. Брусилов загорелся мечтой встретить будущую Гидрографическую экспедицию Северного Ледовитого океана: ледокольные пароходы «Вайгач» и «Таймыр» с запада — вот будет!..