Невельскому не удалось устроиться на отправляющийся в кругосветное плавание фрегат «Паллада». Однако с помощью адмирала и известного географа Ф. П. Литке Невельской был назначен командиром на только еще строившийся в Гельсингфорсе транспорт «Байкал». После спуска на воду он должен был с грузом отправиться на Камчатку. Невельской проявляет большую энергию, встречается с недавно назначенным генерал-губернатором Восточной Сибири Н. Н. Муравьевым, получив от него обещание поддержки. С помощью Муравьева в инструкцию Г. И. Невельскому был включен пункт об исследовании (после сдачи груза в Петропавловске) юго-западной части Охотского моря.
21 августа транспорт «Байкал» вышел в плавание. Путь лежал вокруг Южной Америки, с заходом в Рио-де-Жанейро. 10 января 1849 года миновали мыс Горн и оказались в Тихом океане. Еще два захода – в чилийский порт Вальпараисо и в Гонололу на Гавайских островах. И наконец – Камчатка. 12 мая «Байкал» вошел в Авачинскую бухту, обильно засыпаемый весенним снегом.
В Петропавловске Невельскому вручают инструкцию, в которой содержится пункт об осмотре северной части Сахалина, но она не была утверждена царем, который считал Амур «рекой бесполезной» и не верил в возможность захода в его устье морских кораблей. Это заставило Невельского действовать на свой страх и риск. Но план свой он решил осуществить. 17 июня транспорт «Байкал» подошел к северной оконечности Сахалина – мысу Елизаветы. На воду спускаются шлюпки, отправляющиеся «на поиски Амура», пресной речной воды в проливе. И. Ф. Крузенштерн считал, что один из рукавов Амура выходит к Сахалину и прорезает его. Но скоро выяснилось, что береговая черта Северного Сахалина нанесена на карту с ошибками. Пошли дальше по Татарскому проливу. 19 июня увидели впереди пролив, но в этот момент транспорт сел на мель, сняться с которой удалось лишь через сутки.
Высланные вперед шлюпки не смогли обнаружить форватер, и транспорт пошел вдоль материкового берега как бы ощупью, лавируя между отмелями. Затем на достаточной глубине «Байкал» стал на якорь. Впереди – лиман, исследовать который можно только на шлюпках. 6 июля рано утром Невельской отправил на шлюпке старшего офицера транспорта Петра Казакевича. Он пошел вдоль песчаного берега, кое-где поросшего лесом или заболоченного. Вышли к реке, текущей на юго-восток. Широкие песчаные отмели пересекали ее течение. Казакевич поднялся на гору Табах при входе в устье Амура, чтобы точно определить ее координаты, используя астрономические наблюдения. И он был поражен открывшейся перед ним картиной. На запад расстилалось огромное водное пространство, «которому не было конца», это и был так долго искомый Амур. Прямо на горизонте, за широким лиманом проступали очертания Сахалина. Спустившись с горы, Казакевич поднялся вверх по Амуру до гилякского селения Чныррах. И вернулся после семидневного путешествия на «Байкал», несказанно обрадовав своим рассказом Невельского.
15 июля Геннадий Иванович сам на вельботе с двумя шлюпками отправляется в плавание. С ним три офицера, врач и 14 матросов. Проведены измерения глубин, выполнено несколько астрономических определений координат, а в результате выявлен форватер на Амуре.
22 июля Невельской со своей командой достиг того места, где берег материка ближе всего подходит к сахалинскому. «Здесь, – писал он в отчете, – между скалистыми мысями на материке, названными мною Лазарева и Муравьева, и низменным мысом Погоби на Сахалине, вместо найденного Крузенштерном, Лаперузом, Браутоном и в 1846 году Гавриловым низменного перешейка, мы открыли пролив шириною в 4 мили и с наименьшей глубиной 5 саженей… Мы возвратились обратно и, проследовав открытым нами Южным проливом, не теряя нити глубин, выведших нас из Татарского залива в лиман, направились вдоль западного берега Сахалина».
Прежде чем вернуться с радостной вестью об открытии в Охотск, Невельской проводит съемку и опись юго-западного побережья Охотского моря, что предписано было инструкцией. Описаны несколько островов, длинный залив, перегороженный песчаными намывными барами (подводными валами), измерены глубины.
