В полдень 23 сентября 1809 г. русские моряки, к великой своей радости, увидели на горизонте берега Камчатки. Спустя два дня «Диана» вошла в Петропавловскую гавань. В.М. Головнин узнал о награждении его двумя орденами: боевым орденом Св. Георгия – «за осьмнадцать морских кампаний» и орденом Св. Владимира – «за благополучное совершение многотрудного путешествия».
Вскоре он получил новое задание – произвести исследования Камчатского полуострова.
Два года провел Василий Михайлович на далекой окраине России. С присущей ему энергией и увлечением Головнин отдался изучению Камчатки. Он собирал обильный материал о флоре и фауне края, о населяющих его народностях, их быте и нравах. В отличие от многих западноевропейских путешественников, презиравших «туземцев», Василий Михайлович с симпатией относился к местному населению.
Весной 1810 г. Головнин отправился с экспедицией к русским владениям, находившимся на северо-западе Американского материка. Годом позже он получил новое поручение: описать Алеутские, Шантарские, Курильские острова и Татарский берег (Приморье).
В течение нескольких месяцев Головнин исследовал острова Курильской гряды, отделяющей Охотское море от Тихого океана.
Головнин отметил здесь исключительно важное влияние русской культуры. Курильцы (или айны) восприняли у русских бытовые навыки, многие знали русский язык.
Курильцы, считавшие себя подданными России, восторженно встречали отважных русских мореплавателей. Жители острова Расшуа имели об этом особую грамоту, полученную в конце XVIII в. Наши моряки делились с курильцами порохом, в котором нуждались охотники, табаком, чаем, кожей.
Постоянные ветры и густые туманы помешали «Диане» войти в пролив. Более двух недель шлюп лавировал у островов Итуруп, Кунашир и Шикотан, которые то показывались на горизонте, то вновь заволакивались туманом. Лишь вечером 4 июля «Диана» подошла к острову Кунашир, на котором жили японцы.
Семь моряков во главе с В.М. Головниным отправились на берег. Японцы встретили их с притворной вежливостью, любезно пригласили в крепость и здесь внезапно напали на невооруженных русских. Василий Михайлович, мичман Мур, штурман Хлебников, четыре матроса и курилец Алексей оказались в плену. Под усиленным конвоем их отправили в г. Хакодате на острове Хоккайдо и заключили в тюрьму. Русские моряки стойко переносили одиночество, голод, истязания.
Тем временем капитан-лейтенант Рикорд, принявший командование «Дианой», делал все возможное, чтобы вызволить товарищей из плена. Намереваясь повести переговоры об их освобождении, он направился к японскому берегу. Но как только «Диана» приблизилась на расстояние пушечного выстрела, японцы открыли огонь по кораблю из береговых батарей. Метким ответным огнем с «Дианы» одна японская батарея была подавлена.
Попытка начать переговоры и узнать о судьбе товарищей не удалась. С тяжелым сердцем Рикорд принял решение итти в Охотск. Весь экипаж глубоко переживал участь друзей и своего командира.
Моряки «Дианы» строго выполняли правила, введенные Головниным на корабле. В конце июля шлюп прибыл в Охотск, а в сентябре того же 1811 г. Рикорд выехал в Иркутск, намереваясь оттуда добраться до Петербурга. Иркутский губернатор сообщил ему, что в Петербурге решается вопрос об организации экспедиции для освобождения моряков из японского плена.
Вернувшись весною 1812 г. в Охотск, Рикорд начал спешно готовиться к плаванию. Kpoмe того, экспедиции были приданы бриг «Зотик» и транспорт «Павел»; этими судами командовали офицеры с «Дианы».
22 июля 1812 г. «Диана» и «Зотик» двинулись к Кунаширу. На подходе к нему русские моряки встретили торговое судно японского купца. Он рассказал, что русские пленники живы и находятся в городе Матсмае.
Попытки Рикорда начать переговоры с властями Матсмая успеха не имели. Зная о вторжении армии Наполеона в Россию, японцы держали себя нагло и резко отвергли предложение о переговорах.
Ничего не добившись, Рикорд возвратился на Камчатку. Проходя проливом между островами Райкоке и Матуа, который еще не был обозначен на картах, Рикорд назвал его именем Головнина.
Миновал еще год. Рикорд снова подошел к Кунаширу. На этот раз японцы оказались куда более сговорчивыми и предупредительными. Лишь позднее стала понятна причина этой внезапной перемены отношения: весть о победе русских войск и разгроме полчищ Наполеона долетела и до Страны восходящего солнца.
1 октября 1813 г. Головнин и его товарищи, более двух лет томившиеся в тяжелой неволе, были наконец вызволены из плена.
Записки В.М. Головнина «В японском плену», опубликованные в 1819 г., были переведены почти на все европейские языки. За время плена Головнин сумел собрать и обобщить богатейшие материалы по истории Японии, ее социальному и политическому строю. Он рассказал о нравах и обычаях японцев, их своеобразной культуре. Это был первый обстоятельный труд по истории Японии.