С приходом весны участники экспедиции расширили район исследований. Матисен пробовал пройти на север от Котельного в сторону Земли Санникова, но путь ему преградила полынья. Другая партия описала остров Бельковский и к югу от него открыла небольшой остров, названный по имени каюра экспедиции П. И. Стрижева (каюр — погонщик запряженных в нарты собак или оленей). 28 апреля 1902 года зимовку покинули три человека — группа во главе с зоологом А. А. Бялыницким-Бирулей. Эта маленькая партия направилась для исследований на остров Новая Сибирь. В конце лета за ней должна была зайти «Заря».
В мае к месту зимовки «Зари» из Якутска прибыл на собачьей упряжке врач Виктор Николаевич Катин-Ярцев, политический ссыльный. Он доставил зимовщикам письма от родных и друзей. В это время Толль записал в дневнике:
«Понедельник 13 мая. Сегодня в 5 часов утра неожиданно прибыла еще одна почта! Милые, дорогие письма, как посланное небом благословение перед отъездом на север! В письмах опять много выражений уверенности в моих силах и в успехе дела, но напрасно все так думают — у меня нет больше сил! Остается только надеяться, что общее доверие и любовь должны подкрепить меня и влить новую энергию. Сегодняшний день прошел за прочитыванием писем. Это был для меня большой праздник. Прибыла также посылка и портреты моих дорогих дочерей! Что совершается в моем сердце, когда думаю о своих любимых, этого я не в силах передать на бумаге. Не в моей власти облечь в слова свою тоску по родине. Как туго натянутые струны напряжены мои нервы перед этим прыжком через полыньи и горы, через торосы и моря для того, чтобы через шесть месяцев вернуться обратно на родину!..»
С волнением он прочитал письмо Ф. Нансена, которое заканчивалось словами:
«А теперь в заключение — мои лучшие пожелания на будущее: пусть льды никогда не расходятся под вашими санями, пусть «Заря» находит свободную воду: чтобы вы могли с полным успехом вернуться к себе на родину. Как я буду рад опять пожать вам руку. До скорого свидания. Преданный вам ваш друг Ф. Нансен».
23 мая Э. В. Толль покинул «Зарю». Он возглавил партию для описания острова Беннетта. В ее составе были Ф. Г. Зееберг, промышленники якут Василий Горохов и эвенк Николай Дьяконов. Для переправ через полыньи взяли с собой две байдарки.
Мысли о Земле Санникова не покидали Толля. Он записал в дневнике: «Итак, бесповоротно решено: только через ту «неведомую гавань» на Беннетте лежит мой путь на родину!» Он надеялся с вершин острова Беннетта увидеть мечту многих лет жизни — таинственную Землю Санникова. Предполагалось: после вскрытия моря к острову Беннетта подойдет «Заря» и заберет исследователей. Убывая с судна, начальник оставил инструкцию: если пробиться к острову будет невозможно и на судне останется не более 15 тонн угля, то «Заря» должна направиться к Сибирскому побережью в бухту Тикси. В этом случае Толль надеялся до наступления полярной ночи пройти к Новосибирским островам на байдарках.
Летом ледовая обстановка в море Лаптевых была тяжелой. «Заря» вышла из лагуны Нерпалах только 8 августа, но обогнуть остров Котельный с севера и пройти к острову Новая Сибирь не смогла. Тогда Матисен впервые в истории мореплавания прошел проливом между островами Котельный и Бельковский — это пространство было названо проливом Заря; затем он направил судно на восток по проливу между островами Котельный и Малый Ляховский, названному позже проливом Санникова. С трудом обойдя остров Новая Сибирь с юга, судно направилось на север к острову Беннетта, чтобы забрать партию Толля.
19 августа к югу от острова Беннетта судно встретило непроходимые льды. Все попытки пробиться к острову закончились безрезультатно. На судне оставалось всего 9 тонн угля, и Матисен повернул на юг. Вспомним: Академия наук решила не создавать угольный склад на Котельном. Отсутствие запасов угля не позволило Матисену продолжить плавание и совершить еще одну попытку пробиться к острову Беннетта.
26 августа «Заря» вошла в бухту Тикси, где и осталась навсегда. 15 сентября к борту «Зари» подошел пароход «Лена». На него перегрузили с «Зари» коллекции, собранные в течение двух лет экспедиции, и все научные материалы. Команда «Зари» добралась на пароходе до Якутска, а затем через Иркутск отправилась и прибыла в Петербург.
Группа Бялыницкого-Бирули в ноябре покинула остров Новая Сибирь и по льду пролива Дмитрия Лаптева пришла в селение Казачье на Яне.
На следующий год Академия наук отправила экспедицию на поиск группы Толля. Первая спасательная партия, возглавляемая Михаилом Ивановичем Брусневым, обследовала северные берега островов Котельный и Фаддеевский, берега Новой Сибири.
На шхуне «Заря» находился вельбот (шлюпка) массой 576 килограммов. Заведующий Якутским музеем П. В. Оленин по просьбе Академии наук за полтора месяца перевез этот вельбот на двух прочных нартах из бухты Тикси до Михайлова стана на острове Котельный (расстояние более 1 000 километров). Вельбот был передан прибывшему из Петербурга начальнику второй спасательной партии лейтенанту А. В. Колчаку.