Невельской спешил в устье Амура. На рейде Петровского бриг встретил Д. И. Орлов. Невельской немедленно — на шлюпке, в сопровождении шести матросов и двух гиляков — отправился в Амурский лиман, а по нему (Северным фарватером) вошел в устье Амура. Измеряя глубины, нащупывая фарватер, Невельской поднялся по реке на 70 миль до мыса Тыр.
На обратном пути шлюпка Невельского подошла к мысу Куегда, который был осмотрен еще на пути к Тыру по рекомендации Д. И. Орлова. 1 (13) августа 1850 года Невельской поднял здесь русский военно-морской флаг. Шесть матросов во главе с прапорщиком Петром Поповым составили первый гарнизон будущего Николаевска-на-Амуре. Невельской снабдил Попова инструкциями на случай встречи с маньчжурами и прихода в устье Амура иностранных судов: всем им было приказано заявлять о принадлежности Амура и этих мест России и, соответственно, требовать соблюдения русских законов. Сам же Геннадий Иванович на оленях отправился в Петровское. Там он оставил старшим Д. И. Орлова, а сам уехал в Аян, оттуда в Иркутск и далее в Петербург, где оказался в декабре 1850 года.
Невельского снова ждали неприятности. Ему никто не разрешал поднимать русский флаг в устье Амура и устраивать там поселение. Наряду с теми, кто восхищался его смелыми и решительными действиями, нашлись и такие государственные «деятели», которые призывали самым строгим образом наказать мореплавателя за самовольство. Был даже заготовлен приказ о разжаловании Невельского в матросы. Но заступничество Меньшикова, Муравьева и других высокопоставленных лиц привело к тому, что 12 февраля 1851 года был утвержден штат Амурской экспедиции.
В половине июня 1851 года Невельской уже в Охотске. Вместе с ним отправилась делить все тяготы кочевой жизни мужа Екатерина Ивановна Ельчанинова, на которой Геннадий Иванович женился в Иркутске. В Охотске брига «Охотск» не оказалось. В самые кратчайшие сроки Невельской сформировал основной состав экспедиции, которая 6 июля на транспорте «Байкал» и барке Российско-Американской компании «Шелихов» вышла в Аян, а оттуда, запасшись продовольствием и снаряжением, — в Петровское.
Не доходя до Петровского, старый барк «Шелихов» затонул. Только самоотверженность экипажа и помощь подоспевшего корвета «Оливуца» под командованием капитан-лейтенанта Ивана Николаевича Сущева спасли экспедицию. Этот корвет был послан в воды Дальнего Востока для охраны русских коммуникаций, а также для защиты местных жителей от хищничества иностранных китобоев. Активное участие в спасении приняли и зимовщики Петровского под руководством Д. И. Орлова, и матросы зимовавшего там же брига «Охотск» под командованием П. Ф. Гаврилова.
На косе залива Счастья уже было несколько построек, возводились новые. Среди зимовщиков не оказалось больных. С 25 матросами вместе с лейтенантом Николаем Константиновичем Бошняком и приказчиком Российско-Американской компании Алексеем Павловичем Березиным Невельской вскоре на вельботе и баркасе отправился в устье Амура. Там, на мысе Куегда, был официально основан Николаевский пост с постоянной командой во главе с лейтенантом Бошняком. Мичман Николай Матвеевич Чихачев, перешедший в экспедицию с корвета «Оливуца», и топограф П. Попов приступили к подробным гидрографическим исследованиям южной части лимана Амура.
Амурская экспедиция развертывала широкую деятельность. Этим же летом Н. М. Чихачев и Д. И. Орлов совершили большое путешествие на шлюпке вверх по Амгуни, нанесли этот приток Амура на карту и собрали сведения о жизни местного населения.
Зима 1851/52 года для участников Амурской экспедиции прошла в беспрерывных разъездах. Постепенно расширялась сфера их научных интересов. Чихачев осенью совершил поездку вверх по Амуру до озера Кизи и привез сведения о реке и живущих по ее берегам гиляках (нивхах), а также известия о заливе Нангмар (залив Де-Кастри, ныне залив Чихачева). Орлов той же осенью изъездил район к северу от Николаевского поста, совершив поход через селение Коль к озеру Чля, затем перебрался на Амгунь, по ней вышел к Амуру у селения Ухтр и вернулся левым берегом Амура в пост, а оттуда — в Петровское.
По возвращении из этих командировок Орлов снова отправился в Тугурский край, а Чихачев — в залив Нангмар. Во время посещения этого залива Чихачев убедился в том, что это и есть открытый Лаперузом залив Де-Кастри. Он даже видел у одного из аборигенов небольшое зеркало с надписью по-французски: «Лаперуз». От местных жителей Чихачев узнал о существовании к югу от залива Нангмар другого большого залива, известного у них под названием залива Хаджи.