По рекомендации К.М. Бэра Петербургская академия наук поручила А.Ф. Миддендорфу возглавить Сибирскую экспедицию. Перед отъездом он тщательно изучил дневниковые записи и карты далеких предшественников – участников Великой Северной экспедиции – Д. Овцына, В. Прончищева, С. Челюскина, Х. Лаптева и др., а также составленную Бэром подробную сводку всех имеющихся сведений о вечномерзлой почве и ископаемых льдах Сибири.

Экспедиция, включавшая самого начальника, а также датчанина лесничего Тора Брандта (хорошего рисовальщика и прекрасного стрелка) и эстонца препаратора Михаила Фурмана, в конце ноября 1842 г. выехала в Москву и по Сибирскому тракту прибыла в Омск накануне нового, 1843 года. В состав отряда был включен унтер-офицер Корпуса военных топографов В.В. Ваганов, проводивший впоследствии съемки всех маршрутов экспедиции и ставший надежным помощником и другом Миддендорфа. Съездив в Барнаул за изготовленным там разборным станком для бурения скважин, он со спутниками направился через Томск и Ачинск в Красноярск. Отсюда путешественники на лошадях, затем на собаках, оленях, пешком прошли по льду Енисея до Дудинки, затем спустились по реке Боганиде к низовьям Хатанги, к озеру Таймыр и по одноименной реке спустились к Таймырскому заливу. В тяжелейших условиях были собраны богатые коллекции геологических образцов, 8500 гербарных листов, около тысячи экземпляров млекопитающих, более 500 тушек птиц, а также сотни представителей рыб и беспозвоночных.

Архивные материалы свидетельствуют об исключительном мужестве и выдержке молодого ученого, когда он, изнуренный тяжелейшими условиями похода и жестокой болезнью, был не в силах двигаться дальше и в течение восемнадцати суток оставался в полном одиночестве на суровом берегу Таймырского озера, в то время как его спутники были им посланы за помощью к ненцам. В просторах сурового Таймыра экспедиция прошла с юга на север и с запада на восток около 1500 км. Немного оправившись от болезни, Миддендорф и его спутники пускаются в обратный путь и прибывают в Красноярск 14 января 1844 г.

После краткого пребывания в Красноярске отряд Миддендорфа через Иркутск, по долине Лены достиг Якутска в феврале 1844 г.

Сведения о многолетнемерзлых породах, впервые полученные Миддендорфом, были единственными научно обоснованными данными об этом явлении вплоть до XX в. После его исследований исчезли всякие сомнения в существовании вечной мерзлоты, которые высказывали многие западноевропейские ученые.

Стремясь выяснить внутренние связи животного и растительного мира с местным климатом, Миддендорф дал первую обобщающую характеристику климата Сибири. При этом он рассматривал Сибирь как «резервуар холода», оказывающий соответствующее влияние на климат Европы, и первым назвал Якутию «мировым полюсом холода».

Воспользовавшись пребыванием в Якутске, ученый с большим интересом работал в городском архиве, а также собирал материал о якутском фольклоре и языке.

В конце марта 1844 г. экспедиция Миддендорфа из Якутска направилась к Амгинской слободе, где были проведены геотермические наблюдения и подготовлено снаряжение для предстоящего неизученного тысячекилометрового пути, изобиловавшего бесчисленными препятствиями в виде горных кряжей, глубоких долин, бурных рек. Весьма примечательными были «ледяные долины» (например, р. Селенды), в которых русло пролегало в сплошном слоистом льду.

Перевалив через Становой хребет, отряд в начале июня подошел к реке Уде, по которой первопроходцы на сооруженной ими кожаной байдаре спустились к Охотскому морю с целью исследования Шантарских островов. Однако из-за скопления льда у берегов добраться до островов удалось лишь в начале августа. В результате работы на трех островах (Большой и Малый Шантар, о. Феклистова) были значительно дополнены сведения о климате Приохотья, собраны большие коллекции (зоологические, ботанические, геологические), которые затем были отправлены с Т. Брандтом в Якутск для дальнейшей пересылки в Петербургскую академию наук.

А.Ф. Миддендорф

На маленьком кожаном ботике Миддендорф и Ваганов прошли для проведения съемки по Охотскому морю до устья реки Тугур, откуда выступили на оленях вместе с эвенками в зимний поход на запад. Вдоль рек Тугур, Немилен, Керби, перевалив через Буреинский хребет, спустились в долину Бурей и, продвигаясь по долинам ее притоков и вдоль Зеи, 12 января 1845 г. достигли Амура.

Добравшись верхом до места слияния рек Шилки и Аргуни, они затем проследовали через Нерчинск. Читу, Иркутск и прибыли в Красноярск.

А.Ф. Миддендорф возвратился в Петербург 5 марта 1845 г. и был встречен с большим почетом. Его путешествие длилось 841 день, при этом было пройдено на лошадях, собаках, оленях и пешком около 30 тыс. км.

В августе 1845 г. Миддендорф был избран действительным членом Русского географического общества и в следующем году – заместителем председателя Отделения этнографии. В то же время он стал адъюнктом Академии наук по кафедре зоологии, затем, в 1850 г., экстраординарным академиком, в 1852 г. – ординарным академиком. В 1865 г. Петербургская академия наук избрала его своим почетным членом.

Дальнейшая научная деятельность А.Ф. Миддендорфа развернулась в области сельского хозяйства: он разрабатывал вопросы улучшения местной породы крупного рогатого скота путем скрещивания с лучшими зарубежными породами и практически вывел новую высокопродуктивную молочную породу, а позже проводил опыты по созданию эстонской породы лошадей-тяжеловозов.

В 1867 г. благодаря большому опыту и энциклопедическим знаниям ученый был приглашен в качестве консультанта и спутника к путешествию одного из великих князей по Средиземному морю и к островам Зеленого Мыса, а в 1868 г. – на юг Западной Сибири, где он провел наблюдения в Барабинской лесостепи и затем в отчете дал общее географическое описание этой территории, ее почв и их плодородия, режима озер и других особенностей.

В 1870 г. Миддендорф сопровождал великого князя Алексея в плавании в арктические воды на корвете «Варяг», который проводил гидрологические и метеорологические наблюдения. Измерения, выполнявшиеся под руководством Миддендорфа, впервые позволили выявить распространение северной ветви теплого течения Гольфстрим на восток в направлении к Новой Земле. Это явление, по мысли Миддендорфа, имеет существенное значение для развития рыбного и зверобойного промысла, так как для рубежа теплых и холодных вод характерно обилие рыбы и морских животных.

В 1883–1885 гг. Миддендорф, как большой знаток вопросов животноводства, был приглашен в качестве руководителя нескольких экспедиций по обследованию состояния скотоводства в северной половине европейской части России. В результате первого года работы был издан большой том трудов экспедиции и атлас фотографий.

Большое научное наследие А.Ф. Миддендорфа до сих пор представляет значительный интерес. Он развивал идеи единства природы, тесной взаимосвязи между компонентами природы и хозяйственной деятельностью человека.