В июне, с началом ледохода, экспедиция поплыла на лодках вниз по Омолону и проследила все его течение до устья; 12 июня вышли на Колыму и добрались до Нижнеколымска.
Путь экспедиции из Нижнеколымска во Владивосток на пароходе «Колыма» начался 18 августа и был очень трудным. Уже при следовании по реке в Колымский залив пароход трижды садился на мель; для уменьшения осадки команда и пассажиры перевозили часть грузов на берег, а затем обратно. Пройдя мыс Шелагский, 26 августа пароход попал в тяжелые льды. При попытках продвинуться на восток были потеряны две лопасти гребного винта, неповрежденной осталась лишь одна. С большим трудом удалось добраться до мыса Северный (теперь мыс Шмидта). Пришлось рвать лед динамитом, чтобы выйти в большую полынью. Была повреждена еще одна лопасть винта, фактически осталась половина одной и треть другой лопасти. Но «Колыма» упорно пробивалась на восток через льды. В ночь на 11 сентября льды стали редеть, судно двинулось вперед малым ходом и прошло мыс Дежнева.
В бухте Провидения на юго-востоке Чукотки удалось сменить винт на запасной и отремонтировать поврежденную подводную часть судна. Только 18 октября «Колыма» добралась до Владивостока.
По материалам экспедиций 1926–1930 годов С. В. Обручев написал книгу «Колымско-Индигирский край. Географический и геологический очерк», которая была издана в 1931 году. В ней он определил в общих чертах рельеф огромного Колымско-Индигирского края и описал его главнейшие реки. В результате съемок, проведенных экспедициями, удалось выяснить истинное положение Колымы и ее главных притоков. На географической карте Колыма в верхнем течении передвинулась на 200 километров к юго-востоку, а в нижнем, наоборот, сместилась на северо-запад. Коркодон, правый приток Колымы, переместился на 200–250 километров к северо-востоку. Новое, правильное положение на карте занял и другой правый приток — Омолон. Как писал сам Сергей Владимирович, «реки и хребты передвинулись на карте на новые места, стали наконец туда, где им надлежит быть».
В 1929 году в районе Колымы уже началась добыча золота. Обручев сумел дать общую перспективную оценку золотоносности бассейна Колымы. Именно он выяснил, что реки Колымского бассейна получают золотой песок за счет выноса его из золотоносных жил в толще песчаников и сланцев горных хребтов. Он установил, что из подобных отложений состоит и весь хребет Черского, то есть рудные золотоносные жилы могут быть обнаружены на протяжении всего хребта. Этим ученый подтвердил перспективность поиска и разработки золотоносных россыпей на всем северо-востоке страны.
Для изучения труднодоступных горных районов Сибири С. В. Обручев первым использовал самолеты. В 1932–1933 годах он возглавлял Чукотскую летную экспедицию Арктического института. С самолетов осуществлялась маршрутно-визуальная съемка местности, зарисовка на карту широкой полосы (до 50 километров) вдоль линии полета.
До этого о рельефе внутренних районов Чукотки и территорий, простирающихся на запад до Большого и Малого Анюя, географы судили по сведениям, собранным еще в 1791–1792 годах экспедицией капитана Биллингса.
Изучение с воздуха неизвестных краев позволило сделать сенсационные географические открытия. К примеру, в своей книге «На самолете в Восточной Арктике», изданной в 1934 году, С. В. Обручев рассказал о полете из Анадыря на северо-восток к заливу Креста, на юго-западном побережье Чукотки:
«Поворот к северо-востоку, перед нами открывается вдали залив Креста. Внизу большие прибрежные болота и среди них странное озеро, в которое впадает ленивая извивающаяся река; с морем озеро соединяется каналом — также рекой, но необыкновенной ширины. Все это ни на каких картах не показано — и самый Золотой хребет внезапно распадается перед нами на две маленькие горные группы. Это одно из самых увлекательных занятий — следить, как изменяются и превращаются совсем в другие формы географические элементы, которые так ясно и определенно нарисованы на картах».
Была осмотрена обширная горная страна. В результате С. В. Обручев сумел выделить огромную горную цепь, названную им Колымским хребтом (хребет Гыдан).
Севернее, между правыми притоками Колымы — реками Большой Анюй и Малый Анюй — и Восточно-Сибирским морем он проследил два почти параллельных хребта: Южный Анюйский и Северный Анюйский; открыл обширное Анадырское плоскогорье и определил его протяженность; на Чукотке выявил и проследил большой Чукотский хребет, а к западу — узкие меридиональные хребты Рарыткин и Пэкульней; к югу от устья реки Анадырь установил, что, вопреки существовавшим картам, побережье Берингова моря занято горами (их он назвал Корякским хребтом); сумел осмотреть и расположенный западнее Пенжинский хребет. Таковы были впечатляющие результаты Чукотской экспедиции 1932–1933 годов.