В сентябре-октябре 1910 г. суда выполнили гидрографические работы в районе мыса Дежнева и в Беринговом проливе. Весной 1911 г. были заменены котлы, ремонтные работы были завершены только к концу июля и суда отправились в поход. В этот раз перед экспедицией стояла задача прокладки морского пути от Берингова пролива до устья Колымы. В этом рейсе «Вайгач» впервые обошел северный берег острова Врангеля и установил на острове русский флаг. В 1912 г. экспедиция выполнила гидрографические исследования и опись островов и морского побережья в районе от устья Колымы до устья Лены. Судам удалось достигнуть северо-восточного побережья Таймыра. 8 июля 1913 г. экспедиция отправилась из Владивостока в очередной поход.
7 апреля 1913 г. командиром «Таймыра» и помощником начальника экспедиции был назначен Б.А. Вилькицкий, а 16 августа того же года он возглавил ее – начальник экспедиции полковника Корпуса флотских штурманов И.С. Сергеев тяжело заболел. Участник плавания В.Г. Мизин писал: «Следуя инструкции Главного Гидрографического управления, Б.А. Вилькицкий смело пошел на раздельное плавание двух судов, допуская самостоятельные автономные действия кораблей даже вне зоны радиосвязи. И эти решительные, подчас рискованные нововведения молодого начальника, на которые не осмеливался его осторожный предшественник, сразу же принесли удивительные успехи».
В 1913 г. перед экспедицией была поставлена задача продолжить гидрографическую опись до Таймырского полуострова и при благоприятных условиях совершить сквозное плавание по Северному морскому пути. Но мыс Челюскин оказался блокирован тяжелыми льдами. Тогда Вилькицкий принял смелое решение обойти льды с севера. Неожиданно этот маневр привел к крупнейшему географическому открытию XX в.
21 августа 1913 г., находясь севернее полуострова Таймыр, участники экспедиции обнаружили неизвестный ранее остров, получивший название Земля Николая II (в СССР он был переименован в архипелаг Северная Земля). После окончания навигации корабли пришли во Владивосток, откуда Вилькицкий отправился в Санкт-Петербург – отчитаться о результатах.
В 1914—1915 гг. «Таймыр» и «Вайгач» совершили первое в истории сквозное плавание из Владивостока в Архангельск по Северному морскому пути с одной зимовкой. Тогда был открыт остров Новопашенного (ныне – остров Жохова) и произведены многочисленные научные наблюдения, а также уточнения координат ряда географических пунктов. Высоко оценил результаты экспедиции великий полярник Р. Амудсен: «В мирное время эта экспедиция возбудила бы весь цивилизованный мир». Увы, начавшаяся Первая мировая война не дала возможности продолжать работы, и 3 сентября 1915 г. «Таймыр» и «Вайгач» вернулись в Архангельск. Помимо географических открытий, создания описаний и карт акваторий, ранее малоизученных мореплавателями, в ходе экспедиции была собрана обширная информация о течениях, льдах, атмосферных и магнитных явлениях.
«Таймыр» и «Вайгач» после ремонта и перевооружения были включены в состав военного флота в качестве дозорных и сторожевых судов. Они несли службу в Баренцевом и Белом морях. 17 февраля 1918 г. экипаж стоявшего в Архангельске «Таймыра» поднял красный флаг. Советское правительство планировало включить эти суда в состав Гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана, работы которой планировалось продолжить. 2 августа в Архангельске произошел антибольшевистский переворот. К этому моменту там находилась незначительная материальная часть экспедиции, около половины офицерского состава во главе с Б.А. Вилькицким и 2/3 команды.
В 1918 г. под руководством Вилькицкого была проведена экспедиция в устье Енисея. Предполагалось: построить радиостанцию в селе Дудинка, снабдить припасами радиостанции на острове Диксон и заменить ее персонал. Во время этого похода погиб «Вайгач», выскочивший в тумане на банку у мыса Ефремов Камень в Енисейском заливе. Позднее, в 1919 г., его судьбу едва не разделил «Таймыр»: он сел на камни в районе пролива Маточкин Шар, но команде удалось спасти судно.
В апреле 1920 г., после отступления белой армии из Архангельска, «Таймыр» вошел в состав отряда судов Гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана. В 1921 г. на нем выполнили капитальный ремонт, и в том же году «Таймыр» принял участие в гидрографической экспедиции по описанию берегов Новой Земли. По ее результатам на карту был нанесен восточный берег от мыса Желания до залива Благополучия.
С 31 октября 1923 г. по 23 марта 1924 г. в качестве сторожевого корабля «Таймыр» нес пограничную службу в горле Белого моря. 27 февраля 1925 г. судно вошло в состав судов Управления по безопасности кораблевождения Севера. В 1932 г. он участвовал в экспедиции по изучению северной части Карского моря.