Устья Енисея достигли в начале августа и стали продвигаться вдоль острова Диксон, производя морскую съемку. Александр Васильевич постоянно уточнял координаты приметных ориентиров, впоследствии на основе этих записей и схем он составит новые карты берегов Сибири от Диксона до мыса Челюскин. К середине сентября судно подошло к архипелагу Норденшельда. Столкнувшись со сплошным льдом, барон принял решение стать на зимовку, которая длилась 11 месяцев. Несмотря на наступившую полярную ночь, работа и исследования на шхуне продолжались.
С началом льдообразований Колчак вел наблюдения за этим процессом и определил, что толщина покрова доходит до 180 см и зависит от суровости зимы. За зимовку он осуществил топографическую съемку и изготовил карту рейда шхуны. Изучал состояние развития морских льдов, вел магнитные наблюдения, брал пробы глубинного грунта, а также изучал морское дно сбором водорослей и живых организмов. Тогда же он совершил две санные поездки вдоль побережья Таймыра и на мыс Челюскин. Активно занимался астрономическими наблюдениями, что позволило ему впоследствии определить степень влияния звездных систем на строение Земли и тектонические процессы, проходящие в ее глубинах на Таймыре и на всем протяжении Сибири.
Александр Васильевич тогда внедрил метод строительства из камней специальных знаков-гурий, с точными координатами, относительно которых можно производить тригонометрическую съемку окружающих территорий с ориентировкой на звезды.
Колчак, не зная всех тех научных астрономических истин, которые были открыты еще жрецами в Древнем Египте, осуществил фундаментальные открытия в области астрономии, — влияние Космоса на структуру Земли, а, значит, на тектонические процессы и внутреннее ее содержание.
В период работы экспедиции барон Толль назвал ряд безымянных объектов именами членов своей экспедиции. Среди других на карте был обозначен им и остров Колчака (впоследствии «благодарная» советская власть вычеркнула его имя с карты мира и назвала этот остров именем Расторгуева).
По завершении зимовки экспедиция составила отчет по своей работе. К концу августа 1901 г. лед вокруг «Зари» пришел в движение, на судне подняли пары и двинулись по экспедиционному маршруту, направляясь в море Лаптевых.
К началу сентября достигли мыса Челюскин. Фон Толль записывает в дневнике: «1 сентября наша ближайшая цель Достигнута — мыс Челюскин показался перед нашими глазами! В волнении я потряс руки офицерам. Я спешил высадиться на берег, чтобы ознакомиться с этим мысом и произвести с нашими специалистами комплексные наблюдения: астрономические, магнитные, зоологические, ботанические и геологические…» Под руководством Колчака здесь был сооружен гурий, ставший впоследствии известным многим северопроходчикам. На его фоне сфотографируются члены экипажа «Заря»…
Когда спустя 12 лет сюда подойдут корабли «Таймыр» и «Вайгач» русской гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана (начальник экспедиции Б. А. Вилькицкий), то в дневнике врача Л. М. Старокадомского появятся слова: «Еще издали мы увидели знак на невысоком мысе. Опознали его без труда — это знак, поставленный экспедицией Толля в 1901 году. Высота его метра три, сложен он из крупных темно-серых плит, наверху которых наложены бесформенные куски ослепительно-белого кварца… На западе, милях в пяти, возвышался еще один мыс, он и был истинным мысом Челюскин. К нему мы и направились…» Так что фон Толль радостно пожимал руки, увидев не мыс Челюскин, а… мыс Щербина (с 1970 г. — мыс Чекина), там же был сооружен и гурий, известный как знак «Зари» (в 1918 г. был разобран норвежцами из экспедиции Амундсена, — те, приняв его за знак Норденшельда, искали в основании какие-либо бумаги. Восстановлен советскими энтузиастами в 70-е годы XX в.).
Исследователи осуществили высадку на берег, и А. В. Колчак продолжил свои исследования, которые подтверждали его первоначальные наблюдения. Замеряя глубины, сравнивая температуры и соленость воды, он сделал вывод, что полярные воды, несмотря на низкую температуру, с изменением глубины неоднородны по своему составу и что в них наблюдаются резкие перепады как по температуре, так и по солености.
