Плавания молодого Невельского начались в «кадетской» эскадре по Финскому заливу, а с получением офицерского чина Невельской назначается вахтенным офицером на линейный корабль «Прохор», уже в составе эскадры Балтийского флота.

В 1836 г. судьба сводит Невельского с сыном Николая I, великим князем Константином Николаевичем, тоже избравшим для себя морскую службу, и эта связь между ними не прерывается до самой смерти Геннадия Ивановича. Молодой Невельской становится учителем и наставником Константина, и в течение 10 лет они вместе ходят на судах Балтийского флота.

Среди многочисленных плаваний Невельского в это десятилетие следует отметить плавание 1844 г. из Кронштадта в Архангельск и обратно на корабле «Ингерманланд», под общим командованием известного адмирала Ф.П. Литке, а в следующем, 1845 г., он в длительном плавании в Средиземном море на фрегате «Аврора», на котором Г.И. Невельской занимал уже должность старшего офицера. В этом плавании, и вновь под флагом адмирала Литке, Невельскому довелось побывать в Плимуте, Палермо, Сиракузах, на Мальте, в Мессине, Ливорно, Неаполе, Тулоне, Алжире, Гибралтаре, Лиссабоне. В 1847 г. Невельской снова в плавании, на этот раз в Северном море, вновь на корабле «Ингерманланд», в эскадре адмирала Епанчина.

Знакомство с Федором Петровичем Литке (1797–1882), знаменитым мореплавателем, основателем Русского географического общества (1845) и его вице-президентом, а впоследствии президентом Академии наук, тесное с ним общение не прошли бесследно для Невельского. Ф.П. Литке ввел Г.И. Невельского в Географическое общество. Именно благодаря общению с этим выдающимся деятелем русской науки и посещению заседаний Географического общества у Невельского возникла мысль об исследовании дальневосточных окраин России, тогда мало кому известных. Особенно же Невельского интересовали река Амур и остров Сахалин.

Был составлен проект инструкции для плавания Невельского на военном транспорте «Байкал», после сдачи груза в Петропавловске предусматривающий новое исследование устья реки Амур. Невельской вышел в трудное плавание, имея у себя на руках только письмо графа Муравьева, в котором лишь в самых общих чертах Невельскому разрешалось исследовать берега Охотского и Японского морей.

21 августа 1848 г. «Байкал» вышел в свой далекий путь – через Атлантику, вокруг мыса Горн и Тихий океан. Через 9 месяцев, сдав в Петропавловске-на-Камчатке свой груз, Невельской смог приступить к выполнению своего плана, и 30 мая 1849 г. «Байкал» вышел в плавание к югу, в направлении Сахалина.

11 июля Невельской вошел в устье Амура и убедился в том, насколько были неверны представления об этих местах. 22 июля Невельской достиг того места, где, по мнению всех, находился перешеек, соединявший якобы Сахалин с материком. На самом деле в этом месте находилась самая узкая часть Татарского пролива, однако с глубиной не менее 5 сажен (свыше 15 м), что достаточно для судов с любой осадкой. Отсюда «Байкал» повернул на север, так как к 15 сентября ему нужно было быть в Охотске, где его должен был встретить граф Муравьев.

Г.И. Невельский. Скульптор С.Л. Островская

Встреча Невельского с Муравьевым произошла в городе Аяне; затем он, получив предписание от Муравьева поехать в Петербург и доложить там о результатах своей экспедиции, направился в Охотск, передал там свой «Байкал» другому офицеру и сухим путем направился в столицу.

Он прибыл в Петербург 28 января 1850 г. и сдал свои рапорты о произведенных открытиях.

По представлению графа Муравьева, еще до приезда Невельского в Петербург, а именно 6 декабря 1849 г., подготовили приказ о производстве капитан-лейтенанта Г.И. Невельского за решение вопроса об Амуре и за доказательство того, что Сахалин есть остров, а не полуостров, в чин капитана 2-го ранга. А по прибытии в Петербург, уже 8 февраля 1850 г., Невельской производится в следующий чин, капитана 1-го ранга, и назначается начальником особой, секретной экспедиции по дальнейшему исследованию дальневосточных берегов.

Отправляясь снова на Дальний Восток, уже в качестве признанного руководителя новой экспедиции, Невельской, не теряя ни одного часа, начал свои новые плавания и изыскания. Из залива Счастья он поднялся на гребных судах по Амуру вверх миль на сто и тут, на мысе Куегда, 1 августа 1850 г., в присутствии около 200 человек из племен местных аборигенов, под звуки салюта из ружей, торжественно поднял русский флаг, объявив собравшимся, что с этого момента весь край объявляется присоединенным к России и русский царь берет на себя заботу о своих новых подданных, в подтверждение чего выдал собравшимся написанную им бумагу, которую велел предъявлять при возможном появлении в этих местах каких-либо представителей Китая или иных стран.

После этого Г.И. Невельской снова отправился в Петербург с докладом о сделанных им новых приобретениях для России. Члены комитета по Дальнему Востоку пришли в страшное негодование по поводу того, что Невельской, вопреки их запрету, не только вновь совершил плавание в устье Амура, но и основал там русский пост. Решение комитета было таково: «Пост Николаевский уничтожить, а капитана 1-го ранга Невельского, за неслыханную дерзость и противление Высочайшей воле, разжаловать в матросы». Граф Нессельроде в личной аудиенции доложил царю об этом «неслыханном» деле. Николай оставил у себя проект приказа о разжаловании и постановление комитета и приказал Невельскому явиться во дворец. Что произошло дальше, описывает в своей книге об адмирале Невельском его личный друг, хорошо знавший Невельского с самого начала его службы, адмирал Сиденснер.

– Ты кто, Невельской? – начал император суровым голосом. – Ты организуешь экспедиции по своему усмотрению, нарушаешь инструкции, данные тебе твоим государем.

Невельской не отвечал. Император стал медленно водить по карте пальцем, по пути, пройденному Невельским на «Байкале».

– Да, тут ты матрос. Но вот тут ты уже мичман, там лейтенант, тут капитан-лейтенант, тут капитан 2-го ранга, тут капитан 1-го ранга, тут контр-ад… (палец государя стоял на месте поста Николаевского), но нет, подождем, надо еще тебя примерно наказать.

Тут император взял со стола заранее приготовленный крест Владимира и, поцеловав Невельского, вдел его в петлицу Невельскому, и при нем же разорвал на мелкие клочки проект указа о разжаловании и постановление особого комитета, сказав: «Спасибо, Невельской, за твой патриотический поступок, но впредь будь осторожнее и не нарушай инструкций, данных тебе твоим государем».

После этого император подробно расспросил Невельского о его плаваниях и открытиях и назвал его поступок с поднятием русского флага и объявлением о присоединении этого края к России «молодецким, благородным и патриотическим». Затем он приказал вновь собраться особому комитету и, сам присутствуя на его заседании, произнес следующие слова: «Где однажды поднят русский флаг, там он более не спускается».

В новом постановлении комитета указывалось об утверждении новопостроенного поста Николаевского как фактории Российско-американской компании для торговли с местным населением. Для наблюдения за этим пунктом и для дальнейших работ назначили миссию, которую назвали «Амурской экспедицией», поручив начальствование над ней Невельскому. Это постановление было утверждено 12 февраля 1851 г.