В 1900 г. Э. Толль был назначен начальником академической экспедиции, организованной по его инициативе для открытия Земли Санникова на китобойной яхте «Заря». Летом 1900 г. судно прошло к о. Таймыр, где зимовало. Во время зимовки участники экспедиции обследовали очень большой участок прилегающего берега Таймырского п-ова и архипелаг Норденшельда; при этом Федор Андреевич Матисен прошел на север по меридиану 96° в.д. (пересекающему о. Таймыр) через пролив Матисен и открыл в архипелаге Норденшельда несколько о-вов Пахтусова.

Командир «Зари» Николай Николаевич Коломейцев из-за несогласий с Э. Толлем оставил судно в апреле 1901 г. и вместе со Степаном Расторгуевым прошел около 800 км к Гольчихе (Енисейская губа) за 40 дней. По дороге он открыл впадающую в Таймырский залив р. Коломейцева, а его спутник в Пясинском заливе (у 74° с.ш.) — о. Расторгуева. Новым командиром «Зари» стал Ф. Матисен.

Осенью 1901 г. Э. Толль прошел на «Заре», обогнув мыс Челюскин, от Таймыра к о. Беннета почти по чистой воде, причем напрасно искал Землю Санникова[32] к северу от Новосибирского архипелага. На вторую зимовку он остался у западного берега о. Котельного, в проливе Заря. В начале июня 1902 г. Э. Толль и астроном Фридрих Георгиевич Зееберг с двумя спутниками вышли на нартах с собачьими упряжками, тащившими две байдары, к мысу Высокому Новой Сибири. Оттуда сначала на льдине, дрейфующей в северном направлении, а затем на байдарах они перешли к о. Беннета для его исследования. Осенью снять оттуда отряд должна была «Заря», но она не могла подойти к острову из-за тяжелых льдов. В ноябре 1902 г. Э. Толль начал обратный переход по молодому льду к Новой Сибири и пропал без вести с тремя спутниками. «Заря» же, после неудачных попыток пробиться к о. Беннета, осенью следующего года пришла в совершенно безлюдную тогда бухту Тикси, к юго-востоку от дельты Лены, где и была оставлена командой.

На «Заре» боцманом был военный моряк Никифор Алексеевич Бегичев, служивший на флоте с 1895 г. В 1903 г. он участвовал в одной из экспедиций, отправленных на поиски Э.В. Толля: весной на собаках, тащивших на нартах вельбот, он перешел из устья Яны к о. Котельному, летом на вельботе плавал к о. Беннета, где поисковая экспедиция нашла покинутое зимовье Толля и письмо, свидетельствующее о гибели всего отряда. С лета 1906 г. Бегичев жил на севере Сибири, занимаясь пушным промыслом. В 1908 г. он, обойдя кругом мнимый полуостров, расположенный у выхода из Хатангского залива, против таймырского берега, доказал, что это — остров (Большой Бегичев), а к западу от него открыл другой остров (Малый Бегичев) — названия даны в советское время.

Для описи берегов Северной Сибири и гидрографических работ на трассе Северного морского пути в Петербурге в 1909 г. были построены ледокольные транспорты «Таймыр» и «Вайгач», включенные в состав военно-морского флота. Их предоставили правительственной Гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана под начальством Ивана Семеновича Сергеева. В июле 1910 г. суда прибыли во Владивосток, 20 сентября прошли Берингов пролив, но в Чукотском море (на 66°30' с.ш.) встретили сплоченные льды и повернули обратно. 13 августа 1911 г. они вошли в Чукотское море и через десять дней подошли к устью Колымы — к мысу Медвежьему. Простояв здесь три дня, они повернули обратно. 1 сентября суда разлучились у западного входа в пролив Лонга; «Вайгач» оттуда был послан на север и впервые обошел с описью северный берег о. Врангеля. Команда подняла там русский флаг. Затем ледоколы вернулись во Владивосток и 9 июля 1912 г. снова вошли в Чукотское море. Они описали сначала Медвежьи о-ва, дав трем из них названия в честь первооткрывателей — геодезистов, затем часть Новосибирского архипелага и противолежащий берег Сибири и разновременно пришли в губу Буорхая. У безлюдного берега бухты Тикси на мели моряки нашли брошенную «Зарю», яхту Э. Толля. Была только середина августа, «Вайгач» достиг 76°09' с.ш., но вынужден был отступить из-за тяжелых льдов, и экспедиция вернулась в Тихий океан.

За три навигационных периода, особенно в 1912 г., ледоколы подготовили освоение всего восточного участка Северного морского пути — от Берингова пролива до устья Лены. Однако эта работа не выходила за пределы «гидрографических будней»: ни одной, даже незначительной находки! Да и что, как тогда казалось, можно обнаружить нового в сибирских морях, по крайней мере три столетия посещавшихся русскими мореходами?

П.А. Кропоткине «Записках революционера» писал: «Архипелаг, который должен находиться на северо-востоке от Новой Земли» так еще не найден». Научное предвидение П. Кропоткина подтвердилось в 1913 г. В это лето экспедиции на «Таймыре» и «Вайгаче» нужно было выполнить более трудное задание: описать сибирское побережье к западу от Лены, в том числе самый тяжелый участок — таймырские берега, при этом обогнуть мыс Челюскин и, если удастся, пройти в одну навигацию до Мурманска.

В конце июня 1913 г. «Таймыр» и «Вайгач» вышли из Владивостока. В июле в поселке в устье Анадыря пришлось оставить тяжело больного И.С. Сергеева. По радио из Петербурга сообщили, что вместо него начальником экспедиции назначен Борис Андреевич Вилькицкий. На первом участке пути суда действовали раздельно: «Таймыр» в напрасных поисках Земли Санникова обогнул с севера Новосибирские о-ва. После встречи у о. Преображения (74°42' с.ш., 113° в.д.) ледоколы двинулись на север вдоль таймырского побережья, причем были открыты большая бухта Прончищевой (75°35' с.ш.) и низменный о. Малый Таймыр (78°05' с.ш.). За ним ледоколы пошли вдоль кромки льда, стремясь обогнуть мыс Челюскин.

На рассвете 21 августа впереди и несколько вправо от курса был замечен высокий силуэт неизвестного обширного острова. Ледоколы направились к нему. На берегу возвышались округленные горы высотой около 500 м, круто опускавшиеся к морю. Для подробной описи «Таймыр» прошел вдоль берега, простиравшегося на север, а «Вайгач» — вдоль южного. Береговая линия иногда прерывалась полосами сплошного ровного льда, запорошенного снегом. В одном месте полоса льда уходила в глубь острова, за пределы видимости.

«Вайгач» вскоре наткнулся на непроходимый лед, повернул обратно и соединился с «Таймыром». 22 августа на берегу вновь открытой Северной Земли (на 80°04' с.ш.) был поднят русский флаг. Вечером ледоколы двинулись дальше по широкой полынье вдоль поворачивающего на северо-запад берега. «С каждым часом встречалось все больше льда. Наконец береговая черта окончилась Невысоким мысом, за которым все видимое пространство было покрыто сплошными нагромождениями непроходимого льда. Продвигаться можно было теперь лишь в одном направлении — обратно по полынье…» Суда прошли вдоль восточного побережья Северной Земли, принятой за один остров, около 330 км, до 81°07' с.ш. «Невысокий мыс», до которого они не дошли, действительно оказался крайней северной точкой этой суши (81°15' с.ш.) — цит. по Л.М. Старокадомскому.

Из-за тяжелых льдов моряки повернули назад, взяв с берега образцы горных пород и не проведя никаких других исследований. Недалеко от Малого Таймыра, к северо-западу от него, они открыли небольшой остров — Старокадомского. 31 августа ледоколы взяли курс на о. Беннета, через пять дней подошли к нему, не усмотрев и на этом пути ни малейших признаков Земли Санникова. Моряки нашли на нем и взяли с собой геологическую коллекцию, собранную Э. Толлем. 12 ноября суда вернулись во Владивосток. Они прошли в оба конца свыше 11 тыс. км и произвели съемку берегов на протяжении более 2 тыс. км. Но величайшим достижением было открытие к северу от Таймырского п-ова Северной Земли.

24 июня 1914 г. «Таймыр» и «Вайгач» вышли из Владивостока с заданием пройти Северный морской путь с востока на запад. Суда проследовали сначала в бухту Провидения Берингова моря, а оттуда перешли к Колючинской губе. 14 августа был открыт на 76°10' с.ш. небольшой остров — Жохова. Пройдя дальше на запад различными путями — все еще в поисках Земли Санникова, — ледоколы соединились 3 сентября у мыса Челюскин, в проливе Вилькицкого, между Таймыром и Северной Землей. Моряки описали ее южный берег, но 5 сентября суда вмерзли во льды и остановились на зимовку в 20—30 км от северо-западного берега Таймыра, близ залива Дика. Во время зимовки умерло двое. Из ледового плена ледоколы освободились 26 июня и пошли в Архангельск. 3 сентября 1915 г. «Таймыр» и «Вайгач» прибыли туда, завершив — с одной зимовкой — первый сквозной рейс Северным морским путем в западном направлении.