Лепехин был удовлетворен работой своего ученика. Он писал в Академию:

«Рачением студента Озерецковского собрано немало приморских птиц и рыб, также и разных родов морских животных и растений, сверх того ничего им не упущено, что по предписанию моему от него было требовать можно, так-то: описание Кольской страны, образ жития и нравы живущих между Архангельском и Колою».

Из-за плохой погоды Лепехин сумел выйти в плавание на выделенном архангелогородскими властями поморском карбасе с гребцами-солдатами, привычными к судовому делу только в июне 1772 года. Он осмотрел остров Мудьюгский у Зимнего берега Белого моря. Затем обошел Летний берег, описал Соловецкие острова, основное внимание уделив описанию рельефа наибольшего из них.

Соловецкий монастырь

(Старинная гравюра, вверху, и фотография)

Далее он поплыл вдоль Карельского берега до вершины Кандалакшской губы. Оттуда по реке Ниве поднялся к озеру Имандра, описав берега реки. Возвратившись к морю, Лепехин вдоль Кандалакшского и Терского берегов добрался до устья реки Поной, то есть до места, откуда Озерецковский начал опись Мурманского берега. Таким образом, они вместе обследовали все побережье Кольского полуострова протяженностью более 1 100 километров.

Описал Лепехин и островки, расположенные в Белом море севернее устья реки Поной. Он посчитал, что они являются естественной границей Белого моря, и подчеркнул, что около них мутные или белесоватые беломорские воды сливаются с зеленой водой Баренцева моря. Он отметил также особенности погоды в этом районе:

«Три острова по Белому морю и тем знамениты, что они особливый составляют климат, ибо с них почти никогда снег не сходит, и в самое жаркое время, когда подуют восточные ветры, пронзительна бывает стужа. Причиной сему к востоку лежащее Ледовитое море, откуда стужа ветрами приносится. Ветры сии и великую делают остановку в мореплавании, ибо густые принося льды, проход в Белое море запирают».

Затем Лепехин пересек горло Белого моря и описал остров Моржовец, расположенный у входа в Мезенскую губу. Плывя вдоль побережья этой губы, Лепехин обследовал Кулойскую губу, в которую впадала река Кулой, устье реки Мезени и достиг устья реки Неси. От ее истоков он перешел на реку Вижас и по ее берегу достиг Чешской губы, то есть совершил пересечение полуострова Канин в южной его части. Причем Канинскую тундру он пересек, «перемерив сию топкую пустыню ногами».

На оленях, предоставленных встреченными ненцами, он проследил восточное побережье полуострова Канин до его восточной оконечности — мыса Микулкина.

Морозы вынудили Лепехина прекратить опись и повернуть на юг. Он вновь пересек полуостров Канин в южной его части по рекам Чёше и Чиже.

Хотя Лепехин называл полуостров Канин островом (так считалось издавна), но из его донесений ясно видно, что «от матерой земли» Канин отделен не проливом, а реками: «Небольшие ручейки от вершин Чижи, соединяющиеся с Чёшей, часто совсем высыхают и проезд (лодкой) по сему отделению (волоку) делают невозможным».

На обратном пути он встретил Озерецковского, который еще в июне по заданию Лепехина вновь самостоятельно отправился в экспедицию. Студент прошел Зимним берегом Белого моря к устьям рек Кулоя, Мезени и Неси, пересек южную часть полуострова Канин, обследовал южный и восточный берег Чешской губы и примыкающую к ней на северо-востоке Индигскую губу. Далее он проследовал на восток по Тиманскому берегу до мыса Святой Нос.

Озерецковский вспоминал впоследствии:

«С реки Индиги берегом ходил я на Святой Нос, с которого с неописанным удовольствием смотрел на пространство Ледовитого моря, обращая глаза мои в сторону Новой Земли, на которой побывать великое тогда имел я желание. Но не имея способного к такому пути судна и видя на море жестокие бури, оставил мое намерение в надежде на моих истинных друзей, граждан города Архангельска Александра Ивановича Фомина и Василия Васильевича Крестинина, бывших после того корреспондентами Санкт-Петербургской Академии наук, что они соберут и доставят мне всевозможные сведения об оной земле, в чем и не обманулся».

Встреча Лепехина с Озерецковским произошла у устья реки Неси на западном берегу полуострова Канин. Оттуда они следовали вместе до Архангельска, куда добрались в октябре 1772 года.

Генеральная карта Российской империи (1783 г.)

Возвращением в Петербург 25 декабря того же года завершилась продолжавшаяся более четырех лет работа Оренбургского отряда И. И. Лепехина. Его путевой дневник о путешествии в 1768–1772 годах был опубликован в Петербурге в четырех томах: I том — уже в 1771 году, II — в 1772 году, III — в 1780 году; последний, IV том вышел в свет в 1805 году, уже после кончины Лепехина. Для этого тома Лепехин успел написать страницы о путешествии от Архангельска до Соловецких островов и по истории Соловецкого монастыря. Далее шел текст Н. Я. Озерецковского с описанием путешествия его группы на Севере в 1771–1772 годах. Все тома были снабжены таблицами и рисунками, гравированными на меди и раскрашенными. Кроме того, записки И. И. Лепехина были изданы на немецком языке, а выдержки из них — на французском.

Научные результаты экспедиции впечатляли. Были подробно описаны природа обследованных районов, быт и хозяйственная деятельность их жителей. Отряд Лепехина собрал во время экспедиции большие зоологические и ботанические коллекции. Лепехин открыл несколько новых видов животных и растений. Всего в четырех томах своих «Дневных записок» ученый упомянул около 600 видов растений и более 300 видов животных, часть их описана очень подробно. Он собрал много этнографических сведений о марийцах, мордве, татарах, башкирах, коми и манси, описал условия жизни и хозяйствования населения Поморья.

В начале 1773 года академическая комиссия приняла решение о снаряжении и отправлении в белорусские земли, за год до этого присоединенные к Российской империи, двух научных экспедиций: одну астрономическую, «а другую физическую для исследования по оным местам натуральных вещей под управлением академика И. И. Лепехина». В состав экспедиции вошли почти все участники Оренбургского отряда, за исключением гимназиста Лебедева.

21 марта 1773 года ученый выехал из Петербурга в Псков, где был сформирован обоз из четырех кибиток и телеги. Совершив экскурсии в окрестностях города, Лепехин направился через Великие Луки в Торопец. По дороге был собран гербарий и большая коллекция птиц. Затем ученый направился к истокам Волги и к озеру Охват, из которого вытекает Западная Двина. Он описал берега этого озера и 15-верстный волок между Волгой и Западной Двиной, который активно использовался еще во времена Киевской Руси. Побывал ученый и на близлежащих озерах.