В середине июля все три судна вышли из Большерецка и отправились на юг вдоль Курильской гряды. Из-за густого тумана суда снова потеряли друг друга.

Шельтинг отстал от отряда и вернулся в Большерецк. Шпанберг прошел вдоль Курильской гряды, ни разу не высадившись на скалистые берега, — сильное течение и большая волна на море не позволяли стать на якорь. Он дошел, по-видимому, до острова Уруп и, обогнув его, возвратился в Большерецк. Шпанберг считал чересчур рискованным плавать в «жестокие погоды», кроме того, запасы продовольствия подходили к концу.

Вальтон, отделившись от Шпанберга, прошел вдоль Курильской гряды. Он зафиксировал на карте 26 островов и, не дойдя немного до острова Хоккайдо, вернулся в Большерецк.

Во время этого плавания были собраны новые сведения о Курильских островах: составлено несколько карт островов, в шканечные журналы занесены первые описания их берегов, а также отмечены глубины и течения вблизи них. Велись ежечасные записи о ветрах, несколько раз в сутки отмечалась общая характеристика погоды и ее изменения. Все эти ценные для климатологии наблюдения хранятся в Российском государственном архиве Военно-морского флота в Петербурге.

Во время зимовки в Большерецке Шпанбергу удалось построить из березовой древесины так называемую «березовку» — 18-весельный бот «Большерецк», отданный под команду боцманмату Василию Эрту 22 мая 1739 года все четыре судна отряда, выйдя из Большерецка, поплыли на юг и через несколько дней достигли первых Курильских островов. Здесь по приказу Шпанберга произошла смена командиров: Вальтон перешел на бот «Святой Гавриил», а Шельтинг — на дубель-шлюпку «Надежда». Видимо, таким образом командир отряда хотел ограничить самостоятельность Вальтона, поставив его во главе менее знакомой команды. Последний не раз пытался оторваться от отряда и проводить розыск новых земель самостоятельно.

Отряд Шпанберга продолжил плавание на юг, стремясь найти гипотетическую Землю Хуана де Гамы, показанную на многих картах того времени в океане юго-восточнее Камчатки. Пройдя дальше на юг и не обнаружив этой земли, Шпанберг повернул на запад, к берегам Японии.

16 июня 1739 года при приближении к японскому побережью Вальтон отстал, а отряд Шпанберга подошел к самому берегу и направился вдоль него на юг. По пути встречалось много небольших японских судов. Русские моряки вглядывались в берега и видели деревни, окруженные засеянными полями, и редкий лес. Только через неделю суда Шпанберга отдали якоря в версте от берега.

«Тогда, — писал в донесении о деятельности отряда Шпанберга Витус Беринг, — приезжали к нему, Шпанбергу, на лодках с тех японских берегов рыболовы, из которых многие были на судах его, шпанберговых, и привозили рыбу камбалу и прочие большие и малые рыбы». Жители ближних селений доставили «пшено сарочинское (рис), огурцы соленые и редис большой, и табак листовой и прочие овощи». Необходимые вещи моряки брали «со всякою дружескою ласкою». Японцы с удовольствием принимали ответные подарки, благодарно «прижимая их руками к груди». Затем бригантину посетили «знатные люди», которых одарили золотыми монетами.

Итак, главная задача, поставленная перед Шпанбергом, была успешно выполнена: открыт путь к японским островам от берегов Камчатки вдоль Курильской гряды, причем была определена его протяженность.

На обратном пути корабли отряда прошли мимо островов Шикотан и Итуруп. На Шикотане обнаружили удобный залив, зашли в него, на берегу моряки заполнили пресной водой бочки. Здесь от отряда отделился бот «Большерецк».

Повернув на запад от этих островов, Шпанберг и Шельтинг высаживались и на другие Южно-Курильские острова, в частности, на Кунашир, где от коренных жителей айнов удалось получить много новых сведений о близлежащих землях.

Бригантина и дубель-шлюпка подошли вновь к острову Хоккайдо, но на берег моряки не высаживались, так как на судах к этому времени было много больных. Шпанберг принял решение возвращаться в Охотск. По пути к Камчатке он специально пересек те места, где, по картам того времени, располагался большой остров Штатов, но ничего не обнаружил. По мнению современных историков, островом Штатов, известным в XVII веке от голландцев, на самом деле были острова Итуруп и Кунашир, помещенные на картах совершенно неправильно. За время плавания на бригантине скончались от цинги 13 моряков.

Дубель-шлюпка «Надежда» под командой Шельтинга, разлучившись на обратном пути со Шпанбергом, возвращалась в Большерецк самостоятельно. Уже при подходе к Большерецку во время шторма судно едва не выбросило на берег. На следующий день Шельтингу все же удалось войти в устье реки Большой. Во время плавания несколько членов экипажа «Надежды» умерли, а многие другие были больны.

Вскоре «Надежда» вышла из Большерецка и поплыла в Охотск, но начавшийся шторм отбросил ее к югу. Через две недели, когда ветер стих, «Надежда» еще раз подошла к Охотску — и опять была отброшена штормом. Через неделю все повторилось.

Измученному экипажу пришлось вернуться на Камчатку. В Охотск судно прибыло лишь в следующем году.

Вальтон на боте «Святой Гавриил» также добрался до японских берегов и стал на якорь у селения Амацумура (остров Хонсю). Чтобы пополнить запасы пресной воды, на берег отправился штурман Лев Казимеров в сопровождении семи моряков. Японцы встретили их приветливо, угощали вином, овощами, табаком, вареным рисом. К материку Вальтон возвращался более южным путем, чем тот, которым плыл отряд Шпанберга к берегам Японии. Видимо, лейтенант все еще не терял надежды увидеть Землю де Гамы.

Петербургские власти были довольны результатами плавания отряда Шпанберга в 17381739 годах. После получения донесения Беринга и рапорта Шпанберга в проекте указа кабинета министров отмечалось: «Особливо зело приятно нам из оного рапорту видеть было, коим образом вы во втором вояже не токмо многие острова Японские видели, ной к самим берегам Японской земли приближались, и тамошний народ и их суды видеть, и с ними к ласковому обхождению початок учинить случай получили, и благополучно оттуда возвратились».

В 1741 году в Охотске для отряда Шпанберга был построен пакетбот «Святой Иоанн», а также отремонтированы бригантина «Архангел Михаил», дубель-шлюпка «Надежда» и бот «Большерецк». Из Петербурга в распоряжение Шпанберга были специально присланы два ученика Академии наук, обучавшиеся японскому языку.

В сентябре 1741 года все четыре судна отряда Шпанберга перешли из Охотска в Большерецк. На следующий год в конце мая пакетбот «Святой Иоанн» под командой Мартына Шпанберга, бригантина «Архангел Михаил» под командой мичмана Алексея Шельтинга, дубель-шлюпка «Надежда» под командой штурмана Василия Ртищева и бот «Большерецк» под командой боцманмата Никифора Козина вышли в море в южном направлении.

На первых северных Курильских островах взяли на борт двух переводчиков из местных жителей. Стоял сильный туман, и суда потеряли друг друга. Когда через несколько дней туман рассеялся, около пакетбота оказался только «Большерецк». Однако через неделю плавания потерялся из вида и он.

Шпанберг прошел далеко на юг, но на судне открылась большая течь, и ему пришлось возвращаться. У первых северных Курильских островов суда отряда соединились, и Шпанберг со всеми судами, кроме «Надежды», ушел в Большерецк, а затем и в Охотск.

Исследования продолжила только «Надежда», которая находилась, по мнению Шпанберга, в лучшем техническом состоянии. Шельтинг, назначенный на дубель-шлюпку командиром, спустился на ней к юго-западу вдоль Курильской гряды и подошел к Сахалину. Затем он поплыл к югу вдоль его восточных берегов, почти до пролива Лаперуза, отделяющего Сахалин от Хоккайдо. Из-за туманов и неблагоприятных ветров восточный берег Сахалина, который Шельтинг отождествил по имевшейся у него карте с Землей Иезо, был осмотрен поспешно. Затем «Надежда» повернула на север и возвратилась в Охотск.