В 1840 году Александр Федорович предпринял первое свое большое путешествие в составе Новоземельской экспедиции, руководителем которой был замечательный русский ученый-зоолог, академик Карл Максимович Бэр. Во время экспедиций Миддендорф пересек пешком Кольский полуостров. Научным результатом экспедиции явилась публикация трех статей, посвященных географии, орнитологии и топографии этого района. В экспедиции Миддендорф зарекомендовал себя как блестящий, волевой исследователь, обладающий необходимыми навыками и умением для работы в суровых условиях Севера.
Бэр оценил блестящие способности молодого ученого и наметил его руководителем для большого путешествия в Сибирь. О таком путешествии Бэр мечтал всю жизнь, но для него самого оно было уже непосильным, и он со свойственной ему энергией добивался отправления экспедиции в Сибирь под руководством Миддендорфа.
В сентябре 1842 года Киевский университет освобождает от занятий 27-летнего экстраординарного профессора Миддендорфа, и он уезжает в Петербург для организации Восточно-Сибирской экспедиции — одного из крупнейших научных исследований XIX века. Позднее он напишет: «Радуясь счастию предаться наконец неодолимому влечению моей любимой мечты с ранней молодости, которого не могли подавить во мне разнообразные обстоятельства жизни, я немедленно отказался от пыльной кафедры в Киеве, где я тогда преподавал зоологию».
14 ноября 1842 года Миддендорф с двумя спутниками — лесничим Т. Брантом и препаратором Г. Фурманом — начинает путь в Сибирь. Путь долгий и трудный по знаменитому Сибирскому тракту через Владимир, Нижний Новгород (Горький), Казань, Пермь, Екатеринбург (Свердловск), Шадринск, Ишим, Омск, Томск, Ачинск в Красноярск. Учитывая короткое северное лето, Миддендорф стремится как можно быстрее добраться до Красноярска, чтобы оттуда отправиться на Таймыр. Небольшая остановка была сделана только в Омске, где Миддендорф встретил Новый год и где к экспедиции присоединился унтер-офицер корпуса военных топографов В. Ваганов, а также в Барнауле, чтобы изготовить некоторое оборудование, необходимое для проведения исследовательских работ.
В начале февраля экспедиция оставила Сибирский тракт и направилась на север в Енисейск, а затем в Туруханск, где были сделаны последние приготовления к предстоящему путешествию на Таймыр. - 23 марта Миддендорф со своими спутниками двинулся в Дудинку, а затем в селение Коренное-Филипповское на реке Боганиде. По дороге в селе Введенском к экспедиции присоединяется еще один человек — местный житель Тит Лаптуков, знающий язык ненцев, — несмотря на свой почти семидесятилетний возраст, человек закаленный, хорошо ориентирующийся в местных условиях и, несомненно, много сделавший для успешного проведения экспедиции.
В это время в тундре свирепствовала эпидемия оспы, и целые стойбища полностью вымирали. Миддендорф как врач не мог оставить коренные народы без врачебной помощи, одновременно понимая, что в условиях короткого полярного лета любая задержка может привести экспедицию к тяжелым последствиям.
От местных жителей Александр Федорович узнал, что в низовьях реки Таймырки не кочует ни одно племя ненцев и для того, чтобы выйти к побережью, необходимо взять лодку и на ней спуститься рекой к морю. Построить лодку в тех условиях было трудно: лес находился южнее села Коренного-Филипповского, на расстоянии одного дня пути. Почти месяц спутники Миддендорфа делали последние приготовления и строили лодку, а он сам проводил научные исследования по рекам Хете и Хатанге.
Седьмого мая Миддендорф с четырьмя спутниками — Вагановым, Лаптуковым и казаками Василием Седельниковым и Егором Лавурским — на девяти санях направляется на север к Таймырскому озеру. В верховьях реки Новой Миддендорф встречает самое северное стойбище Тойчума. Все жители стойбища к этому времени были больны оспой, а многие к приходу экспедиции погибли от страшной болезни. Из нескольких десятков человек только один мог ходить, а другой с трудом вставал. Здесь и пригодились Александру Федоровичу его знания и опыт врача. Он понимал, что им нужно спешить, но остаться безучастным не мог и десять дней лечил жителей стойбища. За это время ненцы полюбили русского шамана, как они называли Миддендорфа, и благодаря этому ему удалось достать у них оленей и купить маленький челнок, который очень пригодился в дальнейшем путешествии.
В начале июня экспедиция спускается по реке Таймырке до урочища Саттяга-Мылла, и в ожидании, когда озеро очистится ото льда, Миддендорф проводит научные исследования, изучает окрестности и готовится к дальнейшему путешествию на побережье. Много времени заняла переброска груза на южное побережье озера, где Миддендорф решил оставить часть продовольствия и зимней одежды. Тойчум, перекочевавший со своим родом в этот район тундры, обещал ждать участников экспедиции до их возвращения. Только в начале августа, продвигаясь с трудом из-за ненастья и шторма вдоль берега озера, экспедиция вышла к истокам Нижней Таймырки, вытекающей из озера и несущей свои воды в океан.