Ректор Киевского университета задержал Миддендорфа для чтения лекций до весны следующего года, поэтому было принято решение отложить экспедицию до осени 1842 года. Только 14 ноября 1842 года Миддендорф с датчанином Тором Брандтом (лесоводом) и эстонцем М. Фурманом (служителем и препаратором) выехали из Петербурга в Сибирь. В Омске к экспедиции присоединился 22-летний унтер-офицер, военный топограф Василий Ваганов. Из Омска Миддендорф ездил в Барнаул, чтобы получить в распоряжение экспедиции разборный станок для бурения скважин. Он предполагал использовать его для определения распространения и глубины залегания мерзлых почв в Сибири.

В начале 1843 года экспедиционный отряд по льду Енисея из Красноярска добрался до Туруханска, где были проделаны в грунте скважины на глубину до 14 метров, но удалось обнаружить лишь сезонную мерзлоту. В апреле экспедиция на собаках по льду Енисея добралась до Усть-Курейки, а далее на оленях проследовала в устье реки Дудинки. Там отряд вынужден был задержаться, так как двое участников экспедиции заболели тяжелой формой краснухи, свирепствовавшей в тех краях. Во время эпидемии, когда заболели многие местные жители, Миддендорф самоотверженно лечил больных и спас многих ненцев и долган от смерти.

Только тогда, когда эпидемия пошла на спад и больным стало легче, отряд на оленях проследовал на северо-восток через озеро Пясино вверх по реке Дудыпте и достиг низовьев реки Боганиды (система Хатанги). По пути были собраны первые сведения о Норильском районе, о скалистых хребтах Норильские камни и реке Норильской.

Для проведения научных наблюдений Брант и Фурман с казаком Томилиным остались в селении Коренное-Филипповское на реке Боганиде, а Миддендорф и Ваганов с Титом Лаптуковым (проводником и толмачом, знавшим язык долган и ненцев), с казаками Егором Давурским и Василием Седельниковым двинулись к северу и в середине июня достигли реки Верхняя Таймыра.

Была обследована сама река и перевезено снаряжение из базового лагеря. На берегу реки отряд простоял до конца июня. За это время удалось собрать лодку, привезенную туда в разобранном виде. Миддендорф вспоминал позднее: «Лодку мы собственноручно построили вдвоем с одним из моих людей, который ничего не смыслит в этом деле, но у которого, однако, по-русски топор в руках был и стругом, и долотом, и пилой — словом, инструментом универсальным». Река очистилась ото льда 6 июля, и путешественники на лодке, названной «Тундра», отправились вниз по реке к озеру Таймыр.

Там отряд расстался с сопровождавшими долганами и их вождем Тойчумом. Часть груза, вся зимняя одежда и запас пищи — 150 лососей были зарыты в землю до возвращения. Из-за непрерывных северных ветров экспедиция вынуждена была оставаться на месте. Вынужденная стоянка была использована для пополнения коллекций и научных наблюдений.

Наконец ветер стих, и экспедиция поплыла к северу. Был открыт остров, названный именем филолога академика Бетлингка, затем лодка подошла к истоку реки Нижняя Таймыра. Быстрое течение понесло лодку к морю через глубокую теснину. На Нижней Таймыре (почти под 75° северной широты) был обнаружен скелет мамонта.

Наконец путешественники приблизились к устью реки. Впереди простирался Таймырский залив Карского моря. Лодка пристала к скалистому острову, названному Миддендорф ом в честь академика Бэра. На следующий день экспедиция попыталась пройти к морю, но дорогу преградила обширная мель. Задул северный ветер. Заканчивались продукты, были съедены последние сухари. Начальник экспедиции решил возвращаться.

Обратный путь был исключительно трудным, ведь теперь лодка шла против течения. Не раз путешественники тащили лодку бечевой, бредя по воде, так как уровень воды резко упал. Порыв ветра 1 сентября бросил лодку на скалу, был сломан руль и поврежден борт. Наконец путешественники достигли озера Таймыр.

Миддендорф решил пройти к западному берегу озера, но полоса льда преградила путь. Пришлось путь прорубать топорами. Когда до чистой воды оставалось совсем немного, началось сжатие, при котором корпус лодки был сильно поврежден. К счастью, впереди образовался разлом, и путешественники сумели при напряженной гребле довести полузатопленную лодку до берега. При этом были потеряны геодезические инструменты, часть коллекций, рыболовные сети.

Путешественники из остатков лодки сколотили салазки и потащили их на юг, к Верхней Таймыре, в надежде встретить там ненцев. Вскоре салазки развалились. Из-за отсутствия продуктов отряду грозила голодная смерть. И тогда больной Миддендорф решил остаться на месте с коллекциями, а четырех своих спутников отправил на юг, о чем рассказано в начале очерка.

Они добрались до стоянки долган. Вождь племени Тойтум решил немедленно отправиться на поиски Миддендорфа, но в это время начался страшный буран. Ваганов с Тойтумом дважды делали попытки отправиться на помощь начальнику экспедиции, но оба раза вынуждены были возвращаться ни с чем. Только когда буран несколько стих, то удалось отыскать и спасти отважного ученого.

Экспедиционный отряд 1 декабря прибыл в Туруханск, откуда Миддендорф послал в Академию наук первый отчет о путешествии, а также известил, что готов отправиться в Якутск для исследования вечной мерзлоты.

Результаты исследований на Таймыре были впечатляющи. Ведь удалось обследовать совершенно неизвестные до того районы Таймыра. Впоследствии Миддендорф отметил: «Мы пять месяцев странствовали за пределами самых крайних поселений — от Филипповского до Ледовитого моря и обратно». В арктических широтах экспедиция пересекла Таймырскую тундру с запада — юго-запада на восток — северо-восток (1 000 километров) от Пясины до Хатанги и в меридиональном направлении от Филипповского до устья Нижней Таймыры (400 километров). Из Туруханска в Академию наук были доставлены ящики с геологическими образцами, 8 500 гербарных экземпляров растений, 445 млекопитающих в шкурах и 495 — в спирту, 562 тушки птиц, 294 экземпляра рыб, 500 беспозвоночных в спирту.

Во время экспедиции были проведены обширные съемки местности. А. Ф. Миддендорф убедился в правильности описаний Таймырского побережья и внутренних районов полуострова, сделанных участниками Великой Северной экспедиции 1733–1743 годов. Так, он много сделал для справедливой оценки деятельности Семена Челюскина, еще в 1742 году первым достигшего самого северного мыса таймырского побережья. Именно Миддендорф предложил назвать этот мыс по фамилии отважного моряка.

Геологические и орографические наблюдения Миддендорфа позволили ему описать рельеф обширной области между нижним Енисеем и Хатангой и впервые охарактеризовать геологию этой области. Он открыл и описал отдельные возвышенности на западе Северо-Сибирской низменности и центральную часть гор Бырранга — систему невысоких хребтов в центре Таймырского полуострова.

Миддендорф высоко оценил заслуги своих спутников в успешном завершении труднейшего этапа экспедиции — исследования Таймыра. Впоследствии он выразил свое отношение к ним такими проникновенными словами: «Об этих товарищах моих в самом трудном из похождений в моей жизни я могу повторить только то, что… во всем свете едва ли где можно еще найти такое несравненное душевное довольство, такую находчивость и проворство во всех едва вообразимых напастях нагой пустыни, такое непоколебимое доверие к своему предводителю, доходившее до романтической привязанности, как в народном характере так называемого простого русского человека».