В отличие от сурового Чукотского Восточно-Сибирское море встретило исследователей ласково. Производя по пути гидрологический разрез и траление, «Таймыр» уверенно поднимался к северу. Но при попытке обогнуть Новосибирские острова он неожиданно вышел на мелководье, с которого выбрался с трудом. А когда туман рассеялся, левее курса был усмотрен остров. Его открытие явилось полной неожиданностью. «В ночь на 20 августа,— вспоминал впоследствии один из участников экспедиции, доктор медицины Леонид Михайлович Старокадомский,— вахтенным начальником на «Таймыре» был лейтенант А. Н. Жохов. В 5-м часу утра он заметил впереди и несколько левее курса небольшой высокий и обрывистый остров и немедленно сообщил об этом начальнику экспедиции. Не прошло и трех минут, как весь экипаж был на ногах. Из кают и кубрика, одеваясь на ходу, выскакивали на палубу офицеры и матросы, чтобы собственными глазами убедиться в существовании обнаруженного Жоховым острова».
«Таймыр» взял курс прямо на обрывистую островную сушу. Взору путешественников открылась картина первозданного арктического мира: на каменистой вершине стоял огромный белый медведь, безбоязненно разглядывая гостей. Моржи плавали вокруг корабля. Неугомонные чайки, как всегда неистово крича, носились над островом. Чуть поодаль, на береговой песчаной отмели, спал еще один белый медведь...
Тотчас на берег была снаряжена охотничья партия, чтобы добыть для экипажа свежее мясо,— в нее вошел и Алексей Жохов, страстный охотник. После обеда отрядили вторую экспедицию. Б. А. Вилькицкий вспоминал: «Достигнув вершины острова, старший офицер «Таймыра» старший лейтенант Нилендер водрузил национальный флаг, частью врыв его в скалу, частью завалив камнями. В прорезь мачты была вложена записка о дне открытия и присоединении острова к владениям России». В последующем новооткрытый остров назвали именем А. И. Вилькицкого — отца начальника экспедиции: он немало поработал в Арктике, а затем много лет возглавлял Главное гидрографическое управление.
1 сентября вдали показался мыс Челюскин. Но на пути к нему и на этот раз лежали тяжелые льды. Решено было подняться вдоль кромки льдов, с тем, чтобы, обогнув их с севера, попытаться спуститься снова к таймырскому побережью. На следующий день был открыт небольшой песчаный остров, известный сегодня под названием Малый Таймыр. Но на этом пути моряков ждало еще одно открытие...
Севернее новоусмотренного острова глубины стали заметно возрастать, но кромка припая по-прежнему уходила куда-то на северо-запад. Всюду же мористее виднелся многолетний дрейфующий лед. Свежим зюйд-вестом плавающие льдины отжимало от сплошного заснеженного поля, и суда медленно продвигались вперед. Но далее по курсу, к удивлению моряков, вдруг стали попадаться айсберги. Высота их над водой достигала пяти-шести саженей, односторонний вертикальный излом свидетельствовал об их глетчерном происхождении. Неужели ледниковые обломки принесло сюда со Шпицбергена или Земли Франца-Иосифа? Однако загадка появления айсбергов вскоре прояснилась: на утреннем светлеющем горизонте из-за поднявшихся темных туч стали вырисовываться высокие заснеженные горы. Земля!
По мере того как «Таймыр» и «Вайгач» все ближе продвигались к неизвестной суше, вид ее берегов становился внушительнее. Горы круто спускались к морю. Полосы свободной ото льда воды тянулись далеко на север. Доктор Старокадомский, в числе первых увидевший эту землю, вспоминал много лет спустя: «Прибрежная часть острова оказалась низменной, покрытой галькой. Местами встречался мох бурого цвета. Горы, сплошь усеявшие берег обломками скал, находились здесь примерно в одном километре от моря... Никаких животных не встретили, хотя видели следы оленей, песцов и белых медведей».
Вначале открытую землю приняли за обычный остров. Но когда попытались обогнуть его, пройдя берегом более сотни миль, оконечности не увидели. На второй день Вилькицкий принял решение выслать на берег исследователей. В их числе был и Жохов. Произвести тщательное обследование не было времени: надвигалась полярная зима, и дорог был каждый погожий день. На месте наблюдений — 80° 04" северной широты и 97° 12" восточной долготы — из обломков камней соорудили астрономический пункт — гурий, подняли русский флаг. Общие береговые контуры положили на карту. «В поисках Великого Северного пути из Тихого океана в Атлантический,— говорилось в приказе по экспедиции,— нам удалось достигнуть мест, где еще не бывал человек, и открыть земли, о которых никто и не думал. Мы установили, что вода на север от мыса Челюскин не широкий океан, как его считали раньше, а узкий пролив». Ныне он носит имя начальника экспедиции Б. А. Вилькицкого. Так была открыта Северная Земля, оказавшаяся, как выяснилось впоследствии, огромным, состоящим из четырех крупных и ряда мелких островов архипелагом. Это было крупнейшим географическим открытием нашего столетия.
В планы экспедиции не входило продвижение далеко на север, тем более что впереди вставали непроходимые ледяные горы. «Таймыр» и «Вайгач» спустились к югу и легли на обратный курс. По пути предусматривалась высадка на остров Беннетта. Здесь необходимо было снять геологическую коллекцию Э. В. Толля, оставленную выдающимся отечественным ученым, исследовавшим этот остров в поисках Земли Санникова. В июле 1902 года после двух зимовок во льдах парусно-моторной шхуны «Заря», на которой совершалась экспедиция, Толль отправился по льду на остров Беннетта с тремя спутниками. Повернув затем с острова на юг, все они бесследно исчезли. И вот, десятилетие спустя, путешественникам предстояло пройти по последнему следу отважного русского первопроходца.
18 сентября Жохов вместе со Старокадомским и группой матросов с обоих кораблей высадились на острове Беннетта. Через много лет Старокадомский напишет: «Спускались густые сумерки. Мы все же принялись за поиски коллекций. Лейтенант Жохов и я одновременно нашли в противоположных концах долины по два ящика — они стояли попарно — с геологическими образцами. Кроме ящиков, мы обнаружили еще небольшую корзину из дранок, также наполненную образцами горных пород. Неподалеку от нее лежали два полуметровых куска бивней мамонта». Отдавая дань уважения мужеству и отваге смелых исследователей, экспедиция установила в их честь деревянный крест на острове. На медной дощечке были выбиты слова: «Памяти погибших в 1902 году начальника экспедиции Эдуарда Толля, астронома Фридриха Зеберга, проводников Василия Горохова и Николая Протодьякова. Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана. 5 сентября 1913 г.».
Завершив опись Беннетта, путешественники двинулись дальше.
25 ноября «Таймыр» и «Вайгач» благополучно прибыли во Владивосток.
Известие об открытии крупнейшего арктического архипелага к северу от мыса Челюскин произвело огромное впечатление. О нем писали все отечественные и зарубежные газеты. Результаты научной экспедиции превзошли все ожидания. Достаточно сказать, что на карту было положено более чем тысячекилометровое арктическое побережье, не говоря об огромном объеме произведенных астрофизических и гидрографических работ. За эту экспедицию ряд офицеров-гидрографов, ее участников, получили награды. Жохов в этом плавании вел наблюдения за течениями. После экспедиции молодой гидрограф был назначен старшим офицером «Таймыра» и одновременно помощником начальника экспедиции. Его избрали также в состав обер-офицерского суда чести Владивостокского порта. И все-таки Алексей Жохов, как, впрочем, и большинство офицеров экспедиции, не был удовлетворен итогами 1913 года. Сквозное плавание через Ледовитый океан все еще оставалось неосуществленной мечтой...
7 июля 1914 года «Таймыр» и «Вайгач» снова покинули Владивосток. Задача сквозного маршрута вдоль всего «северного фасада России» была главной для экспедиции в этом арктическом сезоне. Уверенность в успехе вселял не только приобретенный в предыдущих плаваниях богатый практический опыт, но и основательная подготовка экипажей к заключительному арктическому предприятию. После непродолжительного захода в японский порт Хокодате и в Петропавловск-на-Камчатке суда снова легли курсом на север. В бухте Ном на Аляске, куда зашел «Таймыр» справиться о судьбе потерпевших бедствие канадских полярников из экспедиции Стефансона, экипаж ожидало страшное известие: в Европе вспыхнула война! Вскоре по радио уже в Анадыре, куда «Таймыр» спешно прибыл 10 августа, был получен приказ продолжать полярный маршрут и продвигаться на запад.