В Архангельске, куда группа Бэра прибыла 5 июня, Морское министерство выделило для экспедиции небольшую парусную шхуну «Кротов» (длина корпуса всего 10,7 метра), в каюте которой было только три спальных места. Пришлось нанять еще поморскую лодью «Святой Елисей», где имелась более просторная каюта.

Несмотря на всю настойчивость Бэра, шхуна под командой А. Циволька и лодья, команду которой возглавил хозяин судна промышленник Афанасий Еремин, вышли в плавание только 24 июня 1837 года. Из-за устойчивого северного ветра экспедиции пришлось в течение недели отстаиваться у Зимнего берега Белого моря. Наконец суда пересекли горло Белого моря и в снежную вьюгу подошли к юго-восточному берегу Кольского полуострова. Там в деревне Пялицы Бэр впервые познакомился с бытом поморов и убедился в зажиточности этих жителей Русского Севера, никогда не знавших крепостного права.

Суда направились к северу, прошли горло Белого моря и бросили якоря у устья реки Поной. Там экспедиция вновь воспользовалась гостеприимством поморов в селении Поной. Бэр вспоминал позже: «Вымывшись в удобной бане, мы в веселой, просторной, не только опрятной, но даже красиво убранной избе нашли более постельного белья и удобств, нежели нам нужно было». И впоследствии Бэр не раз восхищался высокими моральными качествами поморов, отмечал их смелость, предприимчивость и честность. С попутным ветром суда направились к Новой Земле и 17 июля подошли к полуострову Гусиная Земля на западном побережье южного острова. В бухте Грибовой экспедиция встретилась с двумя промысловыми лодьями из Архангельска, которые присоединились к судам экспедиции.

19 июля экспедиция достигла западного входа в пролив Маточкин Шар. Суда вошли в пролив и 20 июля бросили якорь у мыса Бараньева, где встретили еще шесть лодей промышленников. Поморские суда неоднократно встречались и позднее. Поморы живо интересовались работами Бэра и посильно ему помогали. Кемские промышленники, например, доставили академику туши различных морских и сухопутных зверей.

Новая Земля произвела на Бэра, впервые плававшего в полярных водах, сильное впечатление. Он вспоминал через много лет:

«К наиболее ярким картинам, оставшимся в моей памяти и до настоящего времени, относятся воспоминания о мрачных горах, перемежающихся с мощными снеговыми массами, о богатых красками необычайно укороченных цветах береговой полосы, собранных в миниатюрные дерновины, об ивах, концевые побеги которых торчат из расселин, ит. д. К наиболее прекрасным впечатлениям относятся впечатления от торжественной тишины, господствующей на Земле, когда воздух неподвижен, а солнце приветливо сияет, будь то в полдень или в полночь. Ни жужжание насекомых, ни колебание трав и кустов не нарушает этой тишины, так как вся растительность как бы прижата здесь к самой земле».

С первых дней пребывания в проливе началось изучение обоих его берегов. Леман собирал образцы горных пород, растения и коллекционировал насекомых. Бэр вскрывал морских млекопитающих, консервировал низших морских животных. Препаратор Филиппов отстреливал птиц и снимал с них шкурки. При обследовании берегов пролива были обнаружены на высотах ледники, из которых вытекали многочисленные ручьи.

Были описаны губа Серебрянка, Митюшев Камень, реки Маточка, Чиракина и др.

Средняя часть пролива была забита льдом, и суда с трудом продвигались на восток. Но Карское море в районе восточного входа в пролив было чисто ото льдов. Суда вновь вошли в пролив. Там в ожидании попутного ветра им пришлось отстаиваться в Белужьей губе. А сами путешественники, обследуя берег в этом районе, обитали в полуразрушенной избе, где провел зиму 1768/1769 года исследователь Новой Земли штурман «поруческого ранга» Федор Розмыслов. Лишь 3 августа суда вышли из Маточкина Шара и поплыли на юг вдоль западного берега южного острова.

Экспедиция обогнула полуостров Гусиная Земля и вошла в пролив Костин Шар с многочисленными небольшими островами. Суда подошли к берегу близ устья реки Нехватовой, которая была обследована Бэром и Циволька. При обследовании побережья члены экспедиции поднялись вверх по реке. В устье реки находилось становище промышленников, ежегодно плававших на Новую Землю. В 10 верстах от становища, в горах, Бэр заметил «окаменелые раковины и отпечатки рыб», что, по его мнению, было «весьма важно для геологического вопроса о Новой Земле».

Во время пребывания на Новой Земле пристальное внимание Бэра привлекли именно «жизненные процессы» в северной природе, то есть флора и фауна архипелага и прилегающих водных просторов, приспособленность животных и растений к местным климатическим условиям. Большое впечатление, по его словам, на него произвело само поведение птиц и зверей:

«Правда, кое-где на Новой Земле можно заметить движение животных. Вдали от берега реет в воздухе большая чайка, или быстро промелькнет на земле лемминг, но эти явления не могут оживить ландшафт. При тихой погоде здесь не слышно никаких звуков. Полнейшая тишина царствует в природе, после того как разлетятся спугнутые вами стаи гусей. Молчат и без того немногочисленные на Новой Земле птицы. Не издают звуков еще более редкие насекомые. Песец дает знать о себе только по ночам. Это совершенное отсутствие звуков, особенно характерное для ясных дней, напоминает безмолвие гробницы; и тогда выскакивающие из-под земли и скользящие по прямой линии лемминги, которые так же быстро исчезают, кажутся какими-то призраками».

Неподвижные растения, собранные в дерновины, казались Бэру «как бы нарисованными». Их почти не посещают насекомые, а мухи и комары встречаются редко.

Погода портилась, все чаще налетали сильные бури, когда ветер буквально валил с ног.

В Костином Шаре удалось собрать множество морских звезд и морских ежей, ракообразных, медуз, гидроидных полипов. Экспедиции пришлось задержаться на берегу до 28 августа, так как по предварительной договоренности при найме в Архангельске лодьи промышленников имели право на время отлучаться для охоты на моржей. Но уже 24 августа значительно похолодало; шел снег, по ночам наблюдалось северное сияние. Наступала зима, и Бэр принял решение возвращаться. При попутном ветре 31 августа суда поплыли на юг и через восемь суток довольно тяжелого плавания подошли к побережью Кольского полуострова, а затем направились в Архангельск, куда и прибыли 11 сентября.

Первая экспедиция на Новую Землю, организованная Академией наук, занимает заметное место в истории изучения Русского Севера в естественно-научном отношении. Под руководством Бэра участники экспедиции собрали первые научные сведения о геологическом строении, животном и растительном мире Новой Земли. Ими были доставлены и переданы в академические музеи богатые минералогические, ботанические и зоологические коллекции. Так, только собранный на Новой Земле гербарий включал 135 видов растений.

В ходе экспедиции Август Циволька, командир шхуны «Кротов», проводил регулярные метеорологические наблюдения. Были составлены глазомерные планы некоторых гаваней, выполнены магнитные наблюдения, измерены высоты гор на берегах Маточкина Шара.

Это путешествие сыграло выдающуюся роль в создании методологии проведения исследовательских экспедиций. Оно явилось прекрасным примером того, как надо проводить комплексное естественно-научное исследование определенной территории с учетом взаимосвязи всех природных факторов — метеорологического, геологического, ботанического, зоологического и географического. И эту комплексную методику использовали отечественные ученые в ходе последующих экспедиций, организованных Академией наук и Русским географическим обществом.