Начало зимовки было радостным. Экипаж «Зари» встретился с участниками отряда геолога К. А. Воллосовича, который все лето 1901 года готовил на островах страховочные продовольственные склады для экспедиции. Константин Адамович Воллосович был ярким, темпераментным человеком, великолепным рассказчиком, и общение с ним подарило Толлю много приятных часов. В составе отряда были и другие образованные, близкие по духу люди, среди них двое политических ссыльных — инженер-технолог М. И. Бруснев и студент О. Ф. Ционглинский.
Сам К. А. Воллосович оценивал свои научные успехи скромно, сетуя на то, что сложные обязанности по устройству складов не позволили отдаться полностью научным изысканиям. А между тем именно Воллосович, основываясь на собственных наблюдениях и частично на материалах Э. В. Толля, высказал ряд оригинальных идей о геологии островов: система тектонических разломов разбивает палеозойские отложения западной стороны Котельного и формирует ее рельеф и конфигурацию берега; возраст базальтов, развитых в долине Балыктаха, молодой; третичные отложения в отличие от послетретичных смяты в складки подобно древним толщам (вопрос о наличии кайнозойской складчатости много лет после этого вызывал споры, и, очевидно, только исследования нашей экспедиции в районе Деревянных гор и на стрелке Анжу окончательно подтвердили мысль К. А. Воллосовича).
В течение зимы «Заря» работала как стационарная метеорологическая и геофизическая наблюдательная станция. Осуществлялись кратковременные маршруты на собаках. В январе Толль покинул яхту и направился в район Святого Носа, чтобы забрать там почту и отправить свою. Кто ждал в тундре почтовый самолет, тот легко поймет, почему Толль отправился в трехмесячный поход на материк.
А ранней весной, когда было еще далеко до освобождения «Зари» из ледового плена, было принято решение направить в дальние маршруты две партии. 11 мая трое под начальством зоолога А. А. Бялыницкого-Бирули вышли на Новую Сибирь, а 5 июня Э. В. Толль, астроном Ф. Г. Зееберг и двое промышленников — Василий Горохов и Николай Дьяконов — взяли старт похода по маршруту Котельный — Фаддеевский — мыс Высокий на Новой Сибири — остров Беннетта. В феврале 1920 года на допросе в Иркутском ревкоме неудавшийся «верховный правитель России» адмирал Колчак, который ходил на «Заре» гидрографом, вспоминал: «Шансов было очень мало, но барон Толль был человеком, верившим в свою звезду, в то, что ему все сойдет, и пошел на это предприятие». Между тем Эдуард Васильевич Толль отнюдь не был склонен к авантюризму. Это был аналитик, вдумчивый и дотошный до педантизма исследователь, с огромным чувством ответственности. Именно как аналитик он рассчитал, что ограниченные запасы угля скоро заставят «Зарю» уйти и новой возможности увидеть «Землю Санникова» — а Толль именно с этой надеждой шел на остров Беннетта, — быть может, не представится никогда.
Предполагалось, что осенью «Заря» снимет обе партии. Но ледовая обстановка сложилась крайне тяжелой, и судно не смогло пробиться ни к острову Беннетта, ни к Новой Сибири. После трех неудачных попыток, оказавшись перед угрозой нехватки угля, лейтенант Ф. А. Матисен, остававшийся за командира «Зари», принял решение следовать в бухту Тикси. Можно представить себе чувство, с каким подходил он к берегу — без Толля и без Бялыницкого. Профессор В. Ю. Визе пишет прямо, что решение Матисена стоило жизни Э. В. Толлю и его спутникам. Однако в материалах тех лет (а сохранилось много печатных и архивных документов Академии наук, связанных с Русской полярной экспедицией) нет ничего, что бросало бы тень на действия Матисена. Очевидно, современники, лучще видевшие конкретную обстановку, понимали, что другого выхода не было.
В руках Ф. А. Матисена находилась инструкция, оставленная ему Толлем: «Что касается указаний относительно Вашей задачи снять меня с партией с острова Беннетта, то напомню только известное Вам правило, что всегда следует хранить за собой свободу действия судна в окружающих его льдах, так как потеря свободы движения судна лишает Вас возможности исполнить эту задачу.
Предел времени, когда Вы можете отказаться от дальнейших стараний снять меня с острова Беннетта, определяется тем моментом, когда на «Заре» израсходован весь запас топлива до 15 тонн угля».
Оставалась надежда, что Толль вернулся на Новую Сибирь, встретившись там с группой Бялыницкого. Но в декабре последний возвратился в Казачье, на Яне. О Толле он ничего не слышал. Академия наук срочно организовала спасательную группу во главе с М. И. Брусневым.