Семь моряков во главе с Головниным отправились на берег, где их встретили японцы, пригласившие в крепость. Неожиданно русские моряки были окружены, связаны и отведены в тюрьму в городе Хакодате на острове Хоккайдо. Здесь они оказались в одиночном заключении. «От чистого сердца и от желания им добра поехал я к ним в крепость, как друг их, — с горечью писал Головнин, — а теперь, что они с нами делают? Я менее мучился бы, если б был причиной только моего собственного несчастия, но еще семь человек из моих подчиненных также от меня страдают…»
Спустя некоторое время пленников стали отпускать на прогулки и при коротких встречах они стали обсуждать планы побега. Вначале они решили завладеть парусником или шлюпкой, на которой хотели идти к Камчатке. Постепенно пленники стали запасаться продуктами и раздобыли два кухонных ножа. Ими они прорыли под стеною небольшой лаз и выбрались на свободу. Однако, не зная местности острова, беглецы девять дней плутали по горам и ущельям Хоккайдо и в конечном итоге вновь оказались в заключении.
Между тем командование «Дианой» принял капитан-лейтенант Рикорд. Вначале он попытался повести переговоры с японскими властями об освобождении своих товарищей. Но лишь только шлюп приблизился на расстоянии пушечного выстрела к острову, как по ней из береговых батарей был открыт огонь, прекратившийся лишь тогда, когда огнем с «Дианы» батарея была подавлена.
Идти с отрядом из пятидесяти человек на штурм крепости было также опасно — это могло привести как к гибели пленных, так к и пленению самой «Дианы». И Рикорд решил идти в Охотск. Отсюда он выехал в Иркутск, чтобы затем добраться до Петербурга. Однако иркутский генерал-губернатор уже сообщил ему, что в Петербурге знают о судьбе Головнина и его товарищей и сейчас там уже решается вопрос об организации военной экспедиции к японским берегам.
Весной 1812 года Рикорд стал готовить «Диану» к плаванию. Ее экипаж был увеличен на 11 человек, в помощь шлюпу были приданы бриг «Зотик» и транспорт «Павел». В начале суда двинулись к Кунаширу. На подходе к острову Рикорд узнал, что пленники живы и сейчас находятся в городе Мацумаэ.
Попытка Рикорда начать переговоры с японскими властями не увенчалась успехом. Японцы уже знали о вторжении в пределы России армии Наполеона, и теперь, надеясь на разгром России, отвергали все попытки вести с ними переговоры. Рикорд возвратился на Камчатку. Проходя проливом между островами Райхоку и Матуа, он назвал его именем Головнина.
Спустя год Рикорд вновь повел «Диану» к Кунаширу. Он еще не знал, что японцы, прослышав о разгроме армии Наполеона в России, изменили свое отношение к пленным — они были переведены в более удобное помещение и их бытовые условия значительно улучшились.
В октябре 1813 года Рикорду удалось добиться освобождения своих товарищей, более двух лет находившихся в японском плену. Однако в Россию Головнин прибыл лишь весной 1814 года.
В период своего плена Головнин написал записки «В японском плену», изданные в России в 1819 году. Здесь он изложил историю Японии, ее богатые традиции и культуру японского народа. «В японском плену» стала первой книгой европейца о жизни этой неизвестной для Европы страны. Книга Головнина была переведена на многие европейские языки.
В июле 1814 года Головнин вернулся в Петербург и два года спустя получил назначение начальником кругосветной экспедиции на шлюпе «Камчатка». В его задачу входило обследование владений Русской Америки, в том числе и деятельность Российско-американской компании, определение географических положений островов.
26 августа 1817 года «Камчатка» вышла в плавание. Экипаж ее состоял из 130 человек. Среди офицеров, проходивших на шлюпе практику, были Ф.П. Врангель, Ф.П. Литке и Ф.Ф. Матюшкин.
23 октября «Камчатка» пересекла экватор. Переход к нему из Кронштадта был совершен в максимально короткий срок — 58 дней. Уже на семьдесят первый день плавания шлюп прибыл в Рио-де-Жанейро, где пополнил свои запасы продовольствия и пресной воды.
21 ноября «Камчатка» взяла курс на юг. У мыса Горн шлюпу вновь пришлось выдержать жестокий шторм, но подобно «Диане» «Камчатка» благополучно преодолела эти трудности.
В мае 1818 года шлюп прибыл к берегам Камчатки. Здесь Головнин стал определять географические координаты некоторых из островов Алеутской гряды, пройдя курсом, которым еще не ходил ни один из его предшественников.
В июне «Камчатка» подошла к Кадьяку. В течение девяти дней своего пребывания на острове Головнин составил карту Чиниатского залива и вскрыл злоупотребления местной администрации Российско-американской компании. В составленной им «Записке о состоянии Российско-американской компании» он говорил, как пренебрежительно относится местная администрация к русским судостроителям, в то время как те ни в чем не уступают английским мастерам.