У Стеллера сложились напряженные отношения с его непосредственным начальником Гмелиным. Однако, несмотря на неоднократные конфликты, профессор отдавал должное мужеству Стеллера, его неприхотливости в быту и преданности науке. «Ему не нужны были парик и пудра, — писал Гмелин уже после смерти Стеллера. — Любые туфли и любые сапоги ему годились; он никогда не досадовал на плохие жизненные условия, он всегда был в хорошем настроении, и чем необычнее шли его дела, тем радостнее он был… Ему было нипочем проголодать целый день без еды и питья, когда он мог совершить что-нибудь в пользу науки».
В июне 1741 года парусный пакетбот «Святой Петр» под командованием главы экспедиции капитана-командора Витуса Беринга отправился к еще не изведанным берегам Северной Америки. Стеллер изъявил желание принять участие в этом трудном и опасном плавании. В письме Гмелину он отмечал, что надеется сделать «важные и редкие открытия», но при этом вполне допускал, что может найти там и «свою полную погибель».
Экспедиция изучила северо-западное побережье Америки и ряд неизвестных до того времени островов. На одном из них, впоследствии получившем название Каяк, была сделана недолгая остановка. За шесть часов пребывания на берегу Стеллер успел определить 163 вида растений, животных и птиц, в том числе неизвестную ранее черноголовую голубую сойку, которая была названа его именем. Кроме того, он, насколько это было возможно за столь краткое время, познакомился с аборигенами — алеутами и эскимосами — и высказал предположение, впоследствии подтвержденное многими исследователями, что эти народы, хотя и обитают на американской земле, имеют азиатские корни.
Осенью «Святой Петр» повернул обратно к берегам Камчатки. На море штормило, запасы еды и пресной воды на корабле подходили к концу. Среди матросов началась цинга; заболевшие едва держались на ногах, каждый день кто-нибудь умирал, и тело сбрасывали за борт. Тяжело заболел и слег сам Беринг. Наконец показался берег. Но это была не Камчатка, как поначалу решили мореплаватели, а безымянный необитаемый остров. Все сошли на сушу, чтобы пополнить запасы пресной воды и переночевать на твердой земле. Ночью случился шторм, «Святого Петра» выбросило на берег и разбило в щепки. Экипажу пришлось остаться на острове на всю зиму.
Зимовка оказалась невероятно тяжелой. Жили в землянках, пропитание добывали охотой. Самым страшным бедствием по-прежнему была цинга, от которой умерло тридцать человек, в том числе и Беринг. Впоследствии остров был назван его именем.
Стеллер как врач старался спасти оставшихся в живых. Лейтенант Свен Ваксель, после смерти Беринга принявший командование, писал: «Большую услугу оказал нам при этом адъюнкт Стеллер, отличный ботаник, который собирал различные растения и указывал нам разнообразные травы, из которых мы приготовляли чай, что приносило заметную пользу нашему здоровью».
Несмотря на все тяготы, Стеллер продолжал работать. «Я был один под открытым небом, — вспоминал он, — мне мешали холод, дождь, снег, и часто беспокоили меня звери; у меня не было нужных инструментов, и притом я не надеялся, чтобы когда-нибудь моя работа сделалась известной и принесла кому-нибудь пользу».
Пешком он обошел весь остров по береговой линии, составил каталог местных растений, описал новые виды животных: сивуча, морского кота, морского бобра, морскую корову, которая получила название «стеллерова корова».
Стеллерова корова. 1744 г.
Когда наступило лето, выжившая часть команды приступила к постройке из обломков «Святого Петра» маленького одномачтового судна — его также назвали «Святым Петром». Осенью на нем удалось вернуться на Камчатку.
В последующие несколько лет Стеллер совершил целый ряд самостоятельных экспедиций по полуострову, описал действующие вулканы, землетрясение и цунами, которым был свидетелем, побывал во многих поселениях ительменов, где собрал большой этнографический материал, в том числе сведения об их верованиях и мифологических представлениях.
Стеллера беспокоило современное положение коренных народов Камчатки. Он пытался обратить внимание властей на крайнюю бедность камчадалов, их бесправие и зависимость от местной администрации.
В августе 1746 года некий мичман Хметовский отправил в Сенат донос о том, что Стеллер самовольно отпустил из острога камчадалов, которые обвинялись в бунтарских настроениях. Стеллера арестовали, однако вскоре освободили, поскольку выяснилось, что вина камчадалов не была доказана.
Время пребывания Стеллера на Камчатке подошло к концу. Но по пути в Петербург его задержали и отправили в Иркутск для выяснения каких-то дополнительных обстоятельств. По дороге он простудился и скончался в Тюмени 12 ноября 1746 года.