В путь Стеллер отправился в январе 1938 г. Из Петербурга в Москву, затем по Оке и Волге до Казани, потом Екатеринбург, Тобольск, Кургут, Нарым и Томск, куда ученый прибыл осенью 1938 г. В Томске Стеллер очень тяжело заболел (врачи опасались за его жизнь), но сумел поправиться и в январе приехал в Енисейск, где в то время находились академики Г.Ф. Миллер и И.Г. Гмелин. Из Енисейска Стеллер выехал в Иркутск и летом 1939 г. путешествовал по Забайкалью, собирая коллекции растений и животных.

Опасаясь за сохранность материала, ученый выслал коллекции из Иркутска в Петербург. В начале 1740 г. состоялась его встреча с М. Шпанбергом – вторым помощником Беринга по Камчатской экспедиции, и Стеллер добился разрешения ехать на Камчатку. В мае он прибыл в Якутск, оттуда выехал в Удомск, а затем в Охотск. В сентябре 1740 г. из Охотска морем Стеллер добрался до Камчатки. На Камчатке ученый встретился с Берингом, который согласился взять его на борт в качестве натуралиста.

Знаменитое путешествие началось 4 июня 1741 г., когда пакетбот «Св. Петр» под командованием Беринга отправился с Камчатки к берегам Америки. Во время экспедиции Стеллер вел дневники, в которые записывал сведения о курсе судна, о встреченных островах, их флоре и фауне, о туземцах и многом другом.

Двигаясь на восток и северо-восток, Беринг вскоре приблизился к гряде Алеутских островов и затем и к полуострову Аляска, но увидеть близкую землю мешал туман. Стеллер, однако, писал в своем дневнике «плыли вдоль земли» и обращал внимание офицеров на приносимые с севера водоросли и улетающих в том направлении птиц. Но Беринг не считал необходимым прислушиваться к советам натуралиста.

Лишь после полуторамесячного плавания, 16 июля, со «Св. Петра» увидели на горизонте покрытые снегом горные хребты. Спустя четыре дня судно подошло к острову Кадьяк, которому русские моряки дали тогда имя Св. Ильи. До экспедиции Беринга на нем не бывал ни один европеец. Однако капитан мало интересовался научными исследованиями острова, но Стеллер получил разрешение хотя бы на 6 часов сойти на неизведанную землю. За это время он сумел описать флору и фауну острова, обнаружив 160 видов растений.

30 августа судно стало на якорь около одного из Шумагинских островов, названных так по фамилии первого погибшего от цинги матроса. Здесь Стеллер нашел щавель и обладающую противоцинготным свойством горечавку. Он просил дать ему матроса, чтобы сделать запас трав для всей команды, но получил отказ.

Из животных, встречавшихся на острове Кадьяк и в прибрежных водах, Стеллер отметил сусликов, морских выдр, тюленей, китов, больших и малых акул. За время короткого визита на Кадьяк Стеллер успел описать и быт его обитателей. Самих туземцев тогда увидеть не удалось, они попрятались, но ученый обнаружил примитивные постройки и своеобразную утварь. Встретиться с аборигенами путешественники смогли только 4 сентября. Для знакомства отправили на берег лодку. Стеллер оставил описание внешнего вида туземцев, их одежды, украшений и байдарок, отличавшихся удивительной легкостью и быстротой хода.

Наконец, 6 сентября «Св. Петр» снялся с якоря и направился на запад. Обратный путь был очень трудным. Длительное плавание без свежей пищи вызвало у большей части команды цингу.

Только через два месяца экипаж корабля увидел землю. Все члены команды были больны и совершенно обессилены. Беринг, тоже тяжело больной, принял решение высадиться на берег неизвестного острова, который в дальнейшем получил его имя. Вскоре после высадки капитан-командор скончался.

За время плавания и зимовки погибли тридцать человек. Пища состояла в основном из мяса морских бобров (каланов), за которыми охотились те, кто еще мог ходить. В этих тяжелейших условиях проявилось исключительное самообладание, мужество и трудолюбие Стеллера. Он охотился на зверей, собирал растения, так как, будучи ботаником, прекрасно разбирался в них. Из трав он готовил своим товарищам чай, который был весьма им полезен.

Кроме того, с первых дней пребывания на острове ученый начал его обследовать. Он изучил топографию и геологию острова, описал его флору и фауну, собрал большой гербарий, многочисленные коллекции рыб, зверей и птиц. Среди птиц особый интерес представлял открытый ученым эндемик острова Беринга – очковый большой, или стеллеров, баклан. Эта большая, весом 12–14 фунтов, птица из-за маленьких крыльев была практически не способна летать. Она известна науке только благодаря описанию Стеллера – он был единственным натуралистом, видевшим ее живой.

Большую ценность представляют исследования Стеллера, связанные с изучением поведения млекопитающих. Он оставил интереснейшие записи о песцах острова Беринга. Их было огромное количество. Когда люди снимали шкуру с убитого зверя, песцы вертелись тут же и пытались выхватить мясо прямо из рук. Если мясо закапывали в землю и сверху клали камни, песцы сообща спихивали их. Они стаскивали с голов спящих на воздухе людей шапки, одеяла из бобровых шкур, вытаскивали вещи из-под головы. Чтобы предохранить свежеубитого зверя от песцов, люди ложились спать прямо на него, но песцы ухитрялись выедать мясо даже под спящим человеком. Так что людям приходилось ложиться спать с палкой в руке, чтобы в любой момент иметь возможность отогнать нахальное животное.

Особенно обстоятельно в своем дневнике Стеллер описал поведение морских млекопитающих, и в частности морской коровы. Свои наблюдения над этим животным он начал с первых же дней зимовки. Однако добыть первую корову удалось только в середине мая. Стеллер писал: «Это ставшее нам столь полезным животное достигало в длину 8—10 м и в окружности около пупа – 9 м. Вес, по моим расчетам… доходил до 200 пудов. Череп напоминал лошадиный; покрытый шерстью и мясом, он до некоторой степени, особенно губами, похож на голову буйвола. Во рту вместо зубов на каждой стороне две широкие, длинноватые, плоские шаткие кости, из которых одна прикреплена к небу, другая – к нижней челюсти.

…Эти животные, как и рогатый скот, живут в море стадами; обыкновенно самец и самка движутся рядом; детенышей они гонят перед собой. Спина и половина туловища приходятся постоянно над водой. Единственное занятие этих животных – отыскание пищи. Они питаются, как и животные, живущие на земле, медленно продвигаясь; ногами они сдирают морскую траву с камней и беспрерывно жуют ее… При еде они постоянно двигают головой и шеей, как быки, и каждые 4–5 минут высовывают голову из воды, чтобы набрать свежего воздуха, сопровождая это ржанием, подобно лошади… Они нисколько не боятся человека».

Постройка нового бота закончилась 9 августа, однако он был слишком маленький. Людям пришлось взять с собой только самое необходимое, научные материалы были оставлены Стеллером на острове. 17 августа люди увидели землю – Кроноцкий мыс, а 26 августа вошли в Петропавловскую бухту.

Приехав на Камчатку, Стеллер снова энергично принялся за научные исследования полуострова. В период с августа 1742 по август 1744 г. Стеллер вдоль и поперек исходил и изъездил Камчатку, посетил почти все остроги (поселения), собирая везде коллекции растений и животных, производя этнографические, исторические и лингвистические исследования. Стремясь собрать как можно больше материалов о Камчатке, Стеллер экономил на всем. Большую часть своих путешествий он проделал пешком.