Для запланированной экспедиции летом 1764 года в Архангельске стали строить суда специальной конструкции под контролем главного командира Архангельского порта, капитан-командора П. Чаплина – участника экспедиции Беринга и его помощника В. Чичагова.

Пока перечисленные корабли строились, из Архангельска 6 июня 1764 года вышла флотилия под командованием лейтенанта Михаила Немтинова, состоящая из транспорта «Слон» и четырех нанятых поморских судов (гукоров): «Св. Николай», «Св. Наталья», «Св. Иоанн» и «Св. Михаил». Суда везли на своем борту на Шпицберген провиант для будущей экспедиции В. Чичагова, а также разобранные избы, баню, лес и другие материалы для организации зимовки. В начале августа флотилия достигла бухты Клокбай на Шпицбергене, где и осуществила плановую выгрузку. Оставив на берегу группу обеспечения из 16 человек под руководством лейтенанта Моисея Рындина для обустройства зимовья, флотилия вернулась в Архангельск.

1 сентября 1764 года экспедиция В. Чичагова вышла из Архангельска и без потерь достигла Кольского полуострова, где расположилась на зимовку в Кольском заливе, в Корабельной гавани, которую Василий Яковлевич тогда же переименовал в Екатерининскую в честь императрицы, отправившей его в экспедицию.

9 мая 1765 года суда вышли уже из Екатерининской гавани, двинулись на Север и уже 16 мая миновали остров Медвежий, за которым их встретили дрейфующие льды.

23 июля экспедиция достигла 80°26» северной широты в Гренландском море, превзойдя рекорд англичанина Генри Гудзона 1607 года, но дальше суда пройти не смогли из-за сплошных мощных дрейфующих льдов. В результате В. Чичагов принял решение возвращаться в Архангельск.

Вторая экспедиция, начавшаяся с выхода судов из Архангельска 19 мая 1766 года, должна была реабилитировать саму идею северного прохода. Корабли подремонтировали и обили железом по форштевням – для схваток со льдами.

16 июля 1766 года суда с трудом пробились к северной оконечности Шпицбергена, где тяжелые льды опять преградили дальнейший путь на север. В. Чичагов, поняв, что пройти дальше невозможно, вынужден был принять решение о возвращении судов в Архангельск. На обратном пути 30 июля он зашел в бухту Клокбай и взял на борт партию М. Рындина, в которой к этому времени восемь человек умерло от цинги.

10 сентября 1766 года экспедиция В. Чичагова вернулась в Архангельск.

В рапорте («Оправдательной записке») Адмиралтейств-коллегии В. Чичагов сделал заключение о невозможности пройти северным проходом, указав, что предположение о чистом море севернее Шпицбергена не оправдалось. Кроме установления данного факта В. Чичагов сделал другое важное географическое открытие о том, что льды севернее архипелага Шпицберген дрейфуют с востока на запад.

Тем не менее в рескрипте императрицы Екатерины по поводу экспедиции было высказано недовольство: «…достигнуть бы до Гренландии было можно… новые и неведомые берега Гренландии, может быть, открыты б были». В результате императрица приказала завершить попытки поиска Северного прохода. В то же время, отдавая дань уважения членам экспедиции, она 22 декабря 1766 года подписала Указ, согласно которому В. Чичагов и все его отличившиеся офицеры стали получать пожизненный пенсион в половину оклада, который они получали во время экспедиции.

Тем не менее в 1768 году, оставив идею поиска Северного прохода, Екатерина II для исследования архипелага Новая Земля отправила экспедицию штурмана подпоруческого ранга Федора Тимофеевича Розмыслова (выпускник Морского корпуса 1747 (?) года), который впервые описал и нанес на карту пролив Маточкин Шар (пролив, отделяющий Северный остров архипелага Новая Земля от Южного и соединяющий Баренцево море с Карским), составил опись южной части Баренцева моря от Семи Островов до архипелага Новая Земля.