Начальником первой российской антарктической экспедиции Крузенштерн предлагал назначить Василия Головнина, однако тот в это время еще завершал свое кругосветное путешествие на шлюпе «Камчатка». Тогда вместо Головнина была предложена кандидатура командующего фрегатом «Флора» Черноморского флота Фаддея Беллинсгаузена. Но у морского министра были свои планы – де Траверсе предпочел видеть во главе экспедиции Макара Ивановича Ратманова. Однако тут вмешались непредвиденные обстоятельства – при возвращении из Испании корабль, которым командовал Ратманов, потерпел кораблекрушение у датских берегов, и он был вынужден остаться на лечение в Копенгагене. В итоге начальником экспедиции был утвержден Беллинсгаузен. Его заместителем и командиром второго корабля был назначен Михаил Лазарев.
Экспедиция состояла из двух кораблей, в те годы это была обычная практика. Беллинсгаузен командовал шлюпом «Восток», спущенным на воду со стапеля Охтинской верфи Санкт-Петербурга в 1818 г. Второй корабль изначально назывался «Ладога» и закладывался на Олонецкой верфи как вспомогательное судно (проект разработал известный кораблестроитель И. В. Курепанов). Чтобы ускорить отправку, было принято решение не строить второе судно для антарктической экспедиции, а использовать «Ладогу». Судну дали новое название – «Мирный» и приступили к его перестройке с учетом предстоящих условий плавания. Лазарев лично руководил всеми подготовительными работами.
По своим качествам, прежде всего по быстроходности, «Восток» и «Мирный» были двумя разнотипными кораблями, что не могло не сказаться на ходе экспедиции. Беллинсгаузен писал по этому поводу в своей книге: «Каждый морской офицер видел, какое должно быть неравенство [«Мирного»] в ходу с «Востоком», следовательно, какое будет затруднение оставаться им в соединении и какая от сего долженствовала произойти медленность в плавании». А затем он неоднократно подчеркивал исключительное мастерство М. П. Лазарева в управлении кораблем, что позволяло тихоходному «Мирному» все время следовать совместно с гораздо более быстрым «Востоком».
4 июля 1819 г. корабли покинули Кронштадт. Через десять дней «Восток» и «Мирный» зашли в Копенгаген, 29 июля – в Портсмут, где простояли без малого месяц. Здесь были получены секстаны, хронометры и другие приборы и инструменты, которые тогда не изготовлялись в России, пополнен запас провизии. 26 августа Беллинсгаузен и Лазарев вышли из Портсмута, 15 сентября прибыли на Канарские острова и, после непродолжительной стоянки, пересекли Атлантический океан с востока на запад и прибыли в Рио-де-Жанейро.
Из Рио «Восток» и «Мирный» 22 ноября направились прямо на юг. Согласно инструкции военного министра, исследовательские работы экспедиция должна была начать с острова Южная Георгия и Земли Сандвича, размеры и контуры которых были еще не окончательно определены.
15 декабря показались вершины острова Южная Георгия, через неделю, на пути к Земле Сандвича, было сделано первое значительное географическое открытие – группа островов, которую Беллинсгаузен назвал в честь морского министра де Траверсе. 29 декабря, подойдя к Земле Сандвича, русские моряки установили, что ее «мысы», как считал Джеймс Кук, на самом деле являются отдельными островами. Беллинсгаузен проявил определенный такт и не стал переименовывать ни вновь открытые острова, ни весь архипелаг: «Капитан Кук первый увидел сии берега, и потому имена, им данные, должны оставаться неизгладимы, дабы память о столь смелом мореплавателе могла достигнуть до позднейших потомков. По сей причине я называю сии острова Южными Сандвичевыми островами».
4 января 1820 г. экспедиция Беллинсгаузена и Лазарева продвинулась на полградуса южнее, чем Кук. Было ясно, что большой материк где-то рядом, однако обнаружить его не удавалось. 15 января «Восток» и «Мирный» впервые пересекли Южный полярный круг, на следующий день достигли точки 69°25' южной широты и 2°10' западной долготы. Корабли находились всего в 20 милях от Антарктиды, моряки, несмотря на плохую видимость, могли разглядеть очертания берега.
Сейчас эта дата – 16 (28) января 1820 г. – считается днем открытия Антарктиды. Однако своего рода щепетильность в вопросах открытия не позволила Беллинсгаузену и Лазареву утверждать это на все сто процентов. 21 января моряки снова видели берег, а 5 и 6 февраля суда подошли почти вплотную к береговым обрывам ледового материка.
Наступившая южная зима и осложнившаяся ледовая обстановка вынудили руководителей экспедиции прервать исследования. «Восток» и «Мирный» взяли курс на север – затем на восток, направляясь в Порт-Джексон. Чтобы исследовать более широкую полосу Индийского океана, суда разделились: «Мирный» пошел в Порт-Джексон более северным курсом.
7 мая оба судна снялись с якоря и через пролив Кука направились к островам Таити. В июне к востоку от Таити русские моряки открыли группу островов, которую Беллинсгаузен назвал Островами Россиян (впоследствии, после более детального их изучения, были установлены местные названия, которые сейчас используются в качестве основных). В конце июля Беллинсгаузен и Лазарев снова взяли курс на Порт-Джексон – 9 сентября 1820 г. туда пришел «Восток», на следующий день в гостеприимной бухте бросил якорь «Мирный».
Плавание в экстремальных условиях не прошло бесследно, корабли были изрядно потрепаны. Поэтому их капитаны уделили особо тщательное внимание ремонту, и стоянка в Порт-Джексоне растянулась почти на два месяца. 31 октября экспедиция покинула берега Австралии, а с конца ноября возобновила «покушения» на антарктический берег. 9 января 1821 г. был обнаружен остров Петра I. 16-го числа члены экспедиции увидели гористый берег, частично не покрытый льдом. «Я называю обретение сие берегом потому, что отдаленность другого конца к югу исчезала за предел зрения нашего», – записал Ф. Ф. Беллинсгаузен в своем дневнике. Он назвал берег Землей Александра I (только в 1940-х гг. было выяснено, что это остров – крупнейший в Антарктике – «скрепленный» с материком шельфовыми льдами).
Затем «Восток» и «Мирный» направились к Южным Шетландским островам, открытым незадолго до этого английским капитаном Смитом, и нанесли их на карту (в отличие от русских моряков, англичане щепетильность проявлять не стали – все открытые экспедицией Беллинсгаузена и Лазарева острова, получившие русские названия, впоследствии были переименованы).
Поскольку «Восток» требовал безотлагательного ремонта, командир экспедиции принял решение прервать исследования на месяц раньше запланированного срока. «Восток» и «Мирный» направились в Рио-де-Жанейро, куда прибыли 27 февраля. 23 апреля шлюпы взяли курс на родину и, после кратковременных остановок в Лиссабоне и Копенгагене, 24 июля 1821 г. стали на якорь на Малом Кронштадтском рейде.
Всего первая российская антарктическая экспедиция продолжалась 751 день, из них 527 ходовых и 224 на якоре. «Восток» и «Мирный» прошли более 49 тысяч миль. Была выполнена главная миссия экспедиции – открыт шестой материк – Антарктида, что стало еще одним подтверждением авторитета России в полярных исследованиях. Также были открыты 29 ранее неизвестных островов.
Благодаря экспедиции Беллинсгаузена и Лазарева наука пополнилась целым пластом новых знаний. Были определены и уточнены географические координаты островов и других объектов, составлено большое число карт. Беллинсгаузен, Лазарев и другие офицеры проявили себя как великолепные наблюдатели, сделанные ими определения координат мало чем отличаются от современных, произведенных с использованием гораздо более точных и совершенных приборов и методов.
В ходе экспедиции было проведено множество океанографических исследований, собраны богатейшие зоологические, ботанические и этнографические коллекции, экспонаты которых до сих пор хранятся в музеях, сделаны зарисовки видов Антарктики, других островов и обитающих там животных. Описание путешествия (два тома с атласом карт и видов) было опубликовано под названием «Двукратные изыскания в Южном Ледовитом океане и плавание вокруг света в продолжение 1819, 1820 и 1821 годов, совершенные на шлюпах «Востоке» и «Мирном» под начальством капитана Беллинсгаузена командира шлюпа «Восток», шлюпом «Мирным» начальствовал лейтенант Лазарев».