В 1853 году началась Каспийская экспедиция Бэра, которая продолжалась до 1857 года. Исследования на Чудском озере и на Балтике, по словам Бэра, «должны рассматриваться как подготовка к обследованию крупных рыбных промыслов Каспийского моря, имеющих важное для государства хозяйственное значение. Уже давно стали раздаваться жалобы на их упадок. Неоднократные обследования вскрыли, кроме того, многие злоупотребления». Попытки законодательно установить порядок на промыслах не удались «вследствии того, — отметил Бэр, — что некоторые знатные особы сделались тайными собственниками рыбных промыслов, другие получили крупные рыбные промыслы в подарок от правительства».

Министр государственных имуществ граф П. Д. Киселев решил именно Бэру поручить руководство Каспийской экспедицией. А конференция Академии наук подтвердила, что предыдущие исследования Бэра показали его способность не только организовать подобную экспедицию, но и руководить ею с очевидной пользой для науки. Конференция разрешила ему отсутствие в течение трех лет, «будучи уверена, что его труды послужат на пользу государству и науке и принесут славу Академии».

Перед Бэром была поставлена задача, которую он сам сформулировал так: «получить полную картину состояния каспийских промыслов, исследовать правильность жалоб на их упадок и, наконец, предложить меры охраны рыбы».

В сопровождении академического служителя 14 июня 1853 года Бэр выехал из столицы по железной дороге в Москву. Там его встретил препаратор экспедиции Никитин. Далее на лошадях в двух тарантасах Бэр со спутниками добрались до Нижнего Новгорода, где их дожидался другой участник экспедиции, А. К. Шульц, с которым Бэр обследовал рыбные промыслы на Чудском озере и на Балтике.

Уже в Нижнем Новгороде Бэр начал знакомство с рыбными промыслами и торговлей рыбой. Он отправился в рыбный ряд и беседовал с купцами, рыбаками, узнавал цены на рыбу, расспрашивал, какая рыба ловится. Рыбаки рассказали ему, что к Нижнему Новгороду часто заходит стерлядь, реже осетр и еще реже белуга, хотя незадолго до этого под Нижним поймали белугу в 40 пудов (640 килограммов) весом (современному читателю просто трудно поверить в такое, но так было).

Далее экспедиция поплыла в Казань на нанятой парусной лодке. Во время пятисуточного плавания рулевой, хозяин лодки, заболел, и Бэр (как врач) сразу определил, что у него холера. Больниц по дороге не было, пришлось везти больного до Казани. Из-за болезни опытного рулевого лодка у Свияжска попала в водоворот, из которого с трудом удалось выйти. Несмотря на все это Бэр сохранял полное спокойствие и продолжал записывать в дневник наблюдения о строении берегов, о видах рыб итд.

В Казани больного отправили в госпиталь, где он вскоре скончался. Бэр знал, что на Волге началась эпидемия холеры, но продолжил путешествие. Из Казани Бэр выехал на лошадях в Самару. Там к экспедиции присоединился имевший ученую степень магистра ботаники Николай Яковлевич Данилевский, окончивший в свое время Петербургский университет и оставленный там для подготовки к профессорскому званию. В 1849 году он был арестован как член кружка Петрашевского, участники которого увлекались идеями социалистов-утопистов Фурье и Сен-Симона. Отсидев несколько месяцев в Петропавловской крепости, Данилевский был выслан на жительство в Вологду, а затем в Самару. То, что Бэр пригласил в экспедицию ссыльного, также характеризует его независимость и принципиальность. И он не ошибся в выборе. Данилевский сделался его главным сотрудником в экспедиции, специализировался по ихтиологии, которая в дальнейшем стала его основной специальностью.

По дороге в Астрахань Бэр посетил соленые озера Эльтон и Баскунчак и ознакомился с добычей соли. Из Черного Яра экспедиция на двух лодках поплыла вниз по Волге к Астрахани. По дороге Бэр осматривал «ватаги» — крупные рыболовные пункты, где знакомился со способами лова рыбы, с видами вылавливаемых рыб. В Астрахань экспедиция прибыла 12 августа.

Из Астрахани Бэр совершил ряд поездок для обследования ватаг в дельте Волги. А в сентябре он поплыл на пароходе «Ленкорань» в Ново-Петровскую крепость (теперь Форт-Шевченко) на полуострове Мангышлак.

В крепости Бэра познакомили со ссыльным поэтом и художником Т. Г. Шевченко, который находился в крепости как рядовой солдат. Бэр впоследствии в Петербурге старался помочь ссыльному поэту в облегчении его участи.

В Ново-Петровске Бэр пробыл почти две недели из-за воспалительного процесса на ноге. Но и в этом случае он не мог оставить научных занятий: собирал на отмелях моллюсков, наблюдал размывающее действие морских волн, колебания уровня моря. Он предложил коменданту крепости вырубать ежегодно отметки на береговой скале, чтобы следить за уровнем воды, и сам выбил на камне такой знак.

В это время Шульц и Данилевский по заданию Бэра побывали на Тюленьих островах, где были лежбища каспийских тюленей. Возвратившись в Астрахань, Бэр продолжил объезд ватаг в дельте Волги и на взморье, вел учет выловленной рыбы по видам и количеству особей.

Когда установился зимний путь, Бэр отправился в тысячеверстный путь на санях до Москвы и далее в Петербург, чтобы повидать семью и представить министру Киселеву свои предварительные соображения по упорядочению рыбных промыслов на Волге.

Уже 1 марта 1854 года Бэр проследовал из Петербурга в Астрахань, собирая при езде вдоль берегов Волги новые сведения о подледном лове рыбы, способах ее ловли, об убыли рыбы вследствие хищнической ее добычи. 3 апреля он добрался до Астрахани.

При объезде ватаг его особо заинтересовал ход каспийской сельди, которую называли бешенкой за поистине «бешеное» движение косяков вверх по реке. В то время бешенка из-за нелепых предрассудков в пищу не использовалась, а шла только на вытопку технического жира. Именно Бэр ввел эту рыбу в пищевой обиход, написав по этому поводу ряд статей в журналах и газетах. В поездках по берегам Волги до Камышина и обратно он внимательно изучал строение береговых обрывов, собирал вымытые из береговых откосов окаменелости.

В сентябре Бэр вновь побывал в форте Ново-Петровском, на пароходе «Астробад» посетил самый большой из островов Тюленьего архипелага — остров Кулалы в 50 верстах от берега и после определения его высоты над уровнем моря и длины по периметру ознакомился с промыслом тюленей на рядом расположенных островах Святом и Подгорном.

Затем на «Астробаде» Бэр добрался до города Гурьева в устье Урала, где узнал о состоянии рыболовства на реке. Далее на небольшом пароходе «Волга» 13 октября, несмотря на сильный ветер и высокую волну, Бэр все же добрался до острова Чечень близ входа в залив, куда впадает река Терек. Там Бэр также произвел определение высоты острова над уровнем моря, побывал в ватагах.

В ту осень Бэр осмотрел соляные озера, расположенные в степи вдоль западной стороны волжской дельты. Бэр особо интересовался строением и расположением бугров, находившихся между озерами. Эти параллельные, почти широтно вытянутые гряды, сложенные песками и глиняной крошкой, высотой до 45 метров и шириной 200–300 метров встречаются по всей Прикаспийской низменности между устьями Кумы и Эмбы, и Бэр впервые их описал (впоследствии их назвали Бэровскими буграми).

Как видим, Бэр не только изучал состояние рыболовства на Каспии. Фактически он комплексно изучал природу Каспийского региона как натуралист-биолог.

Зимой ученый опять провел два месяца в столице, но уже 15 мая 1855 года на пароходе вышел из Астрахани в Каспийское море. Посетив Дербент и Баку, он высадился на берег близ устья реки Куры и обследовал расположенные там ватаги; побывал в городе Ленкорань и персидских городах Энзели и Решт, познакомился с природой в тех районах, после чего возвратился в Баку, где задержался более чем на две недели. Вспоминая о пребывании в Баку, Бэр отметил:

«Здесь… я получил возможность посетить на пароходе не только соседние острова Каргень, Вульф и Песчаный остров, но и ряд более удаленных островов, обязанных своим происхождением вулканическим извержениям — Жилой, Куренский камень, Дуванный, Обливной, Свиной, Горелая плита и другие. Мы поехали верхами в глубь страны, причем у мыса Шихова были застигнуты одной из разражающихся здесь подчас жестоких бурь. При неоднократном посещении ближайших окрестностей Баку мы видели местные достопримечательности — богатые нефтяные источники, знаменитые вечные огни, извержение нефти из моря и затонувший караван-сарай». Таков был Бэр, ему хотелось осмотреть все, что связано с природой изучаемого района.