4 июля 1819 года шлюпы “Восток” и “Мирный” вышли из Кронштадта и направились в Рио-де-Жанейро. Оттуда они пошли к острову Южная Георгия, где видели китов, буревестников, альбатросов и пингвинов. На карте появились мысы Южной Георгии, названные в честь членов экипажа.
От острова экспедиция направилась к “Земле Сандвича”, которую переименовали в Южные Сандвичевы острова, обнаружив, что это архипелаг. Здесь Беллинсгаузен открыл остров Лескова, покрытый снегом и льдом, остров Завадовского и остров Высокий. Группа островов была названа в честь тогдашнего морского министра островами Маркиза де Траверсе.
В январе 1820 года шлюпы подошли к антарктическому материку в районе Земли принцессы Марты. В феврале они подошли к берегам материка, а затем продолжили плавание по Тихому океану, открыв несколько новых островов.
Из Тихого океана экспедиция отправилась в плавание по Южному Ледовитому океану. В январе 1821 года они сделали ряд географических открытий: нашли остров Петра I, гористый берег Александра I, достигли Южных Шетландских островов и нанесли их на карту. Также были открыты Три Брата, остров Михайлова, остров адмирала Мордвинова и остров вице-адмирала Шишкова.
От Южных Шетландских островов экспедиция направилась в Рио-де-Жанейро и 24 июня 1821 года вернулась в Кронштадт, проведя в плавании 751 день. Результаты экспедиции считаются одними из самых значимых в истории географических исследований.
Во время плавания корабли обогнули весь антарктический материк, нанесли на карту множество новых островов и территорий; собрали уникальную этнографическую коллекцию, которая до сих пор находится в Казанском университете; создали серию великолепных изображений Антарктики и её обитателей.
В честь выдающегося мореплавателя названо одно из морей Тихого океана, расположенное у берегов Антарктиды, между Антарктическим и Терстон полуостровами. Его именем также названа первая российская полярная станция, расположенная у берегов Западной Антарктиды на острове Кинг-Джордж.