Это плавание, продолжавшееся два года и десять дней, сделало из Литке настоящего моряка, «полюбившего море и морскую службу, умеющего владеть собою, решительного и смелого в минуту опасности, хорошего товарища», как аттестовал его скупой на похвалы Головнин.

В 1821 году Адмиралтейский департамент решил послать в Северный Ледовитый океан гидрографическую экспедицию для описи берегов Новой Земли. Возглавить такую экспедицию мог только высокообразованный морской офицер, способный выполнить исследовательские работы. Выбор пал на двадцатитрехлетнего лейтенанта Федора Петровича Литке, рекомендованного на этот пост В. М. Головниным.

В распоряжение экспедиции был предоставлен шестнадцатипушечный бриг «Новая Земля» (длина около 24,4 метра, ширина 7,6 метра, осадка — 2,75 метра, водоизмещение 200 тонн).

В начале мая вскрылась Северная Двина, и тотчас началась подготовка брига к плаванию.

Большую заботу Литке проявил о команде корабля. Каждый офицер и матрос получил добротную полярную одежду; в рацион были введены противоцинготные средства. В результате всех этих мер в течение всей экспедиции не был потерян ни один человек.

Первое самостоятельное плавание молодого командира корабля началось с серьезного испытания. При выходе из Белого моря бриг сел на необозначенную на карте мель. Вскоре начался отлив, и бриг оказался как бы на острове, в полуверсте от чистой воды. Но Литке не растерялся. Он принял такие меры и так расставил людей, что когда начался новый прилив, бриг был стянут на чистую воду. Работа эта потребовала огромного напряжения сил, но команда «переносила все тягости с тем веселием духа, которое отличает русского матроса», — подчеркивал Литке в своих записках.

Точно определив координаты мели, Литке повел бриг к Новой Земле.

Плавание у Новой Земли было чрезвычайно тяжелым. То и дело встречались непроходимые ледяные поля, которые не позволяли приблизиться к Новой Земле, и Литке пришлось ограничиться составлением приблизительной карты видневшегося на горизонте побережья и наметить опорные пункты для будущих исследований.

Поход 1821 года являлся как бы разведкой. В результате него Литке пришел к важному выводу, что ледовая обстановка в этом районе не всегда бывает такой неблагоприятной, какой она была летом 1821 года, и что в следующем году может появиться возможность плавания у самого побережья Новой Земли. Так и было сделано.

Начальство было очень довольно результатами второго плавания. Литке был досрочно произведен в капитан-лейтенанты, все офицеры брига получили награды, а матросам выдали «в единовременное вознаграждение годовой оклад жалованья». Летом 1823 года Литке вышел в третий рейс к берегам Новой Земли.

К 1 августа Литке вновь достиг мыса Нассау и убедился, что это не самая северная оконечность острова. Пройти же далее на север из-за сплошного льда он не смог. Возвратившись к проливу Маточкин Шар, он произвел подробную опись его со шлюпки.

Два года обрабатывал Литке материалы своей четырехлетней арктической экспедиции. Составленные им карты в течение целого столетия были единственным надежным руководством для мореплавателей.

В 1828 году вышла в свет книга Литке «Четырехкратное путешествие в Северный Ледовитый океан на военном бриге „Новая Земля“ в 1821–1824 годах», которая принесла ему известность и признание в научном мире. В предисловии к немецкому переводу этой книги указывалось, например, что исследования Литке в Арктике «нельзя пройти молчанием ни в истории мореплавания, ни в истории географии».

Едва Литке подготовил к изданию свою рукопись о результатах арктического плавания, как его назначили командиром шлюпа «Сенявин», отправлявшегося в кругосветное плавание.

«Сенявин» был построен специально для этого плавания под личным наблюдением Литке на Охтенской верфи в Петербурге. Это был трехмачтовый парусный корабль водоизмещением около 300 тонн. Кроме Литке, на шлюпе было восемь офицеров, семь старшин и сорок три матроса. Для научных работ были взяты три натуралиста.

Экспедиции предстояло побывать в еще неисследованных районах Тихого океана и Берингова моря.

20 августа 1826 года «Сенявин» покинул Кронштадтский рейд. Первым делом Литке в самом начале плавания отменил телесные наказания. Как и Крузенштерн, Лазарев и другие прогрессивные деятели русского флота, Литке считал, что культурные меры воспитания личного состава более способствуют налаживанию дисциплины на корабле. Однако он прекрасно отдавал себе отчет в том, что такое новшество могло реально стоить ему карьеры.

Литке повседневно заботился о матросах. Команда всегда получала свежую пишу, во время холодов в жилой палубе непрерывно топились две печи. Он открыл матросам доступ в свою библиотеку, а неграмотным роздал буквари, и к концу плавания на корабле не осталось ни одного неграмотного матроса. Офицерскому составу он вменил в обязанность регулярно проводить с матросами образовательные беседы.

Не допуская скуки и уныния, он настаивал на том, чтобы на судне ни одного праздничного дня не проходило без самодеятельного спектакля или концерта.

Литке повел свой корабль через те районы Тихого океана, где еще не бывали европейские мореплаватели. Он надеялся открыть новые земли, но его надежда не оправдалась, — шлюп не встретил на своем пути ни одного островка. В Русской Америке «Сенявин» пробыл больше месяца. За это время шлюп, изрядно потрепанный штормами, был подремонтирован, а Литке собрал богатый материал о природе и коренном населении этого далекого русского владения.

Затем шлюп вышел к Каролинским островам и до конца марта 1828 года проводил гидрографические исследования в районе Каролинского и Марианского архипелагов.

Определив по пути положение многих островов Океании, Литке 29 октября при попутном ветре отправился из гостеприимного русского порта Петропавловска-Камчатского, чтобы, обогнув всю Евразию, закончить плавание на другом конце России.

Дальнейшее плавание шлюпа проходило в разных метеорологических условиях. Корабль то попадал в жестокие штормы, то подолгу оставался на одном месте в ожидании ветра, то быстро продвигался вперед, подгоняемый попутным ветром. После небольшой остановки на Филиппинах обогнул мыс Доброй Надежды и в середине апреля был у острова Святой Елены.

В течение всего плавания, наряду с другими исследованиями, Литке проводил сложные маятниковые наблюдения для определения истинной формы Земли. На острове Святой Елены он завершил эти свои исследования.

25 августа «Сенявин» бросил якорь на Кронштадтском рейде. Плавание продолжалось три года и пять дней. Географы считают его одной из самых плодотворных русских кругосветных экспедиций.

Литке составил точную карту значительной части побережья и островов Берингова моря, открыл в этом море большую группу островов, измерил высоту многих сопок Камчатки. В Тихом океане он открыл двенадцать неизвестных островов и описал двадцать шесть групп не обследованных до него островов, составил карты Каролинского и Марианского архипелагов. В результате всех этих работ был составлен мореходный атлас, содержащий более пятидесяти карт и планов.

Литке внес ценный вклад в океанографию, метеорологию и другие науки. Натуралисты экспедиции собрали ценные коллекции по зоологии, ботанике, минералогии и сделали до 1250 зарисовок. Литке привез богатую коллекцию одежды, орудий, утвари и украшений народностей Америки, Камчатки и тихоокеанских островов.

Научный успех экспедиции был так велик, что Литке был избран в члены-корреспонденты Академии наук. Высоко оценило плавание Литке и морское начальство: он был произведен «через чин» в капитаны 1-го ранга. В 1832 году Федор Петрович закончил описание своего плавания. Этот трехтомный труд был новым выдающимся достижением русского мореплавателя, блестяще продемонстрировавшим его обширные познания в самых разнообразных областях науки.

Книга Литке была переведена за границей. По свидетельству современника Литке академика В. П. Безобразова, «имя Литке сделалось известным всему образованному миру и поставлено в ряду замечательнейших путешественников и мореплавателей».