Новое важнейшее поручение ожидало Миллера по возвращении его в Россию. В это время Петербургская Академия наук предприняла достойный ее труд. Снаряжена была экспедиция для приведения в известность земель, составляющих северную часть Азии. Профессор Делиль де ла-Крокер отправлен был для астрономических наблюдений; Гмелин должен был заняться описанием всего, что касалось до естественных наук, а Миллеру поручено было обратить внимание на географию, древности и историю народов, населяющих Сибирь. Путешествие сие, начатое в феврале 1733 года, продолжалось 10 лет. Не будем следовать за ученым исследователем во время его пути, наблюдать с ним вместе обычаи черемисов и вотяков и простые нравы телеутов, тунгузов и якутов. Довольно, если скажем, что он вел подробный журнал всему пути, сам заготовлял карты оному, с точным означением местности каждой страны, составлял исторические и географические описания городов, чрез которые проезжал, разбирал архивы оных и тщательно выписывал все, что находил в них для русской истории, срисовывал везде древности, какие ему попадались, и, кроме того, привез кучу замечаний о нравах, языке и вере народов, которых посещал. Сие множество трудов и суровый климат Сибири расстроили его здоровье. Он не мог ехать далее Якутска и больной возвратился в Петербург в 1743 году. Здесь к физическим болезням присоединились нравственные. В отсутствие Миллера сделан был президентом Академии Шумахер, человек познаний ограниченных, не прощавший Миллеру его достоинств. Посредственность ненавидит истинное дарование. Шумахер, с завистью смотревший на возвышение Миллера, еще более вознегодовал на него, когда сей возвратился из Сибири, предшествуемый славою, что кончил столь важное для наук поручение. Миллер за десятилетние труды свои получил вместо награды одни неприятности. Он не оспоривал у других права ползать перед сильными, не искал посторонними путями и непозволенными средствами того, чего имел право требовать, не унижал дарований своих, изменяя истине, а потому имел многих неприятелей. Тауберт, Теплов и даже великий наш Ломоносов, ни в чем не терпевший соперников, были врагами Миллера. На полезные труды его не обращали внимания, и далее, поверит ли этому потомство, диссертацию о начале русского народа, которую он напечатал на латинском и русском языках и готовился читать в публичном собрании Академии 5 сентября 1743 г. в день именин императрицы, запретили потому только, что историограф утверждал в ней, будто Рюрик вышел из Скандинавии. Несмотря на сии неприятности, Миллер, любивший науки не из личных видов и движимый любовию к общей пользе, был неусыпен в трудах своих. Казалось, что деятельность его возрастала с препятствиями, какие он встречал на каждом шагу. За работою ученый муж находил утешение от несправедливости людей, которых отзывы не доходили до его кабинета. По званию российского историографа в 1747 г. занимался он составлением сибирской и разными исследованиями по части российской истории и географии, составлял родословные таблицы российских великих князей, исправлял должность конференц-секретаря при Академии и был самым деятельным сотрудником в издании «Ежемесячных сочинений» с 1757 по 1764 год.