В начале 1853 года правительство решило ради обеспечения безопасности амурского устья занять Сахалин. Невельской, и в этом случае опередивший Петербург, уже посылал на остров Бошняка, осмотревшего к весне 1851 года окрестности залива Дуэ и реки Тыми с богатыми залежами угля. Однако в столице не затухала прежняя борьба партий, и Нессельроде настоял на исполнении решения средствами Российско-американской компании. Её руководство, в свою очередь, предложило поручить это сложное предприятие Невельскому, соглашаясь обеспечить его судами и припасами, а когда дело наладится — передать заведование им своему служащему, лейтенанту И.В. Фуругельму. План компании, изложенный в записке от 13 марта 1853 года, предполагал строительство двух больших укреплений на западном и южном берегах острова, а также нескольких малых²¹. В соответствии с ним Невельской послал на западный берег подпоручика Е.Г. Орлова, 30 августа основавшего Ильинский пост. Однако уже в сентябре, отправившись на Сахалин с основным составом экспедиции, он предпочёл сосредоточить все силы на южной оконечности острова и выбрал местом главного укрепления японское поселение Тамари-Анива. 25 сентября Невельской заложил там Муравьёвский пост и, поручив командование Сахалинской экспедицией майору Н.В. Буссе, вернулся в Петровское.

Занимая Сахалин, Россия затрагивала интересы японцев, около полувека осваивавших его южное побережье. Поэтому вопрос разграничения с Японией на Сахалине и Курильских островах рассматривался учреждённым в начале 1852 года Особым комитетом по азиатским делам, 7 мая постановившим отправить в Страну восходящего солнца посольство во главе с вице-адмиралом Е.В. Путятиным. Важную роль в выработке инструкций послу сыграл известный европейский японовед Ф.Ф. Зибольд, при содействии голландского правительства обратившийся 8 ноября 1852 года в Министерство иностранных дел России с проектом установления русско-японских отношений²². Его рекомендации были учтены Нессельроде, предписавшим Путятину выяснить, принадлежит ли южная часть Сахалина Японии, на что тогда можно было получить скорее утвердительный ответ. Адмирал, в октябре покинувший Кронштадт на (фрегате «Паллада», 10 (22) августа 1853 года достиг Нагасаки, но был встречен недружелюбно. После длительного зондажа через голландскую факторию, в январе 1854 года он приступил к официальным переговорам. Однако японцы, настаивавшие на разделении Сахалина по 50° северной широты и границе между островами Уруп и Итуруп, прервали их и возобновили только в декабре, сменив Нагасаки на город Симода.

Между тем, весной 1854 года, ввиду близкого разрыва с Англией и Францией, российское правительство распорядилось перевести все суда, находившиеся в Тихом океане, к устью Амура. Путятину пришлось сделать паузу в переговорах и увести «Палладу» с винтовой шхуной «Восток» в Императорскую гавань, где собрались также корвет «Оливуца», барк «Князь Меньшиков», транспорты «Иртыш» и «Двина», судно Российско-американской компании «Николай». Одним из первых шагов, предпринятых адмиралом, стала эвакуация войск с Сахалина, вызвавшая крайнее недовольство Невельского. Начальник Амурской экспедиции всё ещё думал о закреплении за Россией новых земель, собираясь занять небольшими заставами, по 8-10 человек, все бухты вплоть до устья реки Суйфун, рядом с Корейским полуостровом. Но этот план не получил одобрения начальства, озабоченного безопасностью амурского устья. Действительно, к началу навигации российское командование имело в своём распоряжении всего 25 человек на Петровском посту, 30 — на Николаевском, 8 — на Мариинском (Кизи) и 10 — на Александровском (Де-Кастри)²³. Моряки были вооружены кремнёвыми ружьями. Кроме того, в Николаевске хранились две, а в Де-Кастри одна трехфунтовая пушка, на каждую из которых приходилось по 25 зарядов.

Муравьёв, находившийся тогда в Петербурге, хлопотал об усилении. В начале 1854 года он добился высочайшего разрешения на размещение в устье Амура и в Петропавловске Восточно-сибирского линейного батальона и сотни казаков Забайкальского войска, всего около 700 человек. Для ускорения их передислокации генерал-губернатор предложил воспользоваться путём по Шилке и Амуру. На заседании Амурского комитета, председательство в котором перешло к генерал-адмиралу, великому князю Константину Николаевичу, против этого предложения выступил Сенявин. Однако тревожная обстановка заставила большинство участников согласиться с Муравьёвым. Ему предоставили право договориться с китайскими властями о сплаве войск. 11 января Николай I утвердил положение комитета, и позволил Муравьёву идти по Амуру, не дожидаясь согласия Пекина.

Санкция императора нейтрализовала весьма сковывающую инструкцию, составленную в те же дни для генерал-губернатора чиновниками Министерства иностранных дел. Возвратившись в Иркутск, Муравьёв 14 апреля известил китайское правительство о предоставленных ему правах и о повелении государя выступить на защиту устья Амура от иностранцев. Правящие круги Дайцинской империи с пониманием отнеслись к намерениям своих северных соседей и не стали чинить им препятствий²⁴.

К подготовке сплава приступили по распоряжению Муравьёва ещё в конце 1853 года. 19 апреля 1854-го генерал-губернатор выехал из Иркутска и 7 мая достиг Шилки, по которой спустился к Шилкинскому заводу, где нашёл недавно выстроенный пароход «Аргунь» и барки с плотами для сводного батальона из 800 солдат, вооружённых преимущественно штуцерами, сотни казаков и дивизиона горной артиллерии²⁵. Начальство над отрядом было поручено майору М.С. Корсакову. Утром 8 мая, после молебна, караван тронулся в путь. Вёл его сотник А.Г. Скобельцын, единственный изо всего отряда бывавший в низовьях Амура. 18 мая миновали Усть-Стрелку — последнее русское поселение, расположенное при слиянии Шилки с Амуром. 28 остановились, выбрав место у впадения Зеи, верстах в 20 выше Айгуня, куда Муравьёв сразу послал чиновников Свербеева и Сычевского. Они должны были выяснить, доставлено ли из Пекина разрешение на сплав. Однако ответ оказался неутешительным. Тем не менее, на следующий день Муравьёв приказал отряду продолжать плавание, сам же пересел на «Аргунь» и отправился вперёд, на встречу с хэйлунцзянским цзянцзюнем (генерал-губернатором) И Шанем, предупредив Корсакова, чтобы тот был готов по первому сигналу атаковать город.

Переговоры шли до вечера. Убоявшись множества подходивших российских судов, И Шань, не имевший определённых указаний правительства, позволил им двигаться дальше. 3 июня, по ошибке проводника, караван свернул в Уссури и поднялся по ней вёрст на 40. Обнаружив ошибку, повернули обратно, и на выходе из реки в Амур Муравьёв присмотрел место для будущего поселения. Спустя неделю, 10 июня, с судов каравана заметили парус гиляцкой байдарки, в которой прибыл посланный Невельским навстречу отряду мичман Г.Д. Разградский. Он и повёл сплав дальше. 14-го числа на берегу показались избы Мариинского поста, где Муравьёва ждал Невельской, незадолго перед тем получивший от Путятина известие о начале войны с европейской коалицией. Там экспедиция разделилась. Третья рота — 200 человек под командованием подпоручика Н.А. Глена, была послана сделать просеку и проложить дорогу к Де-Кастри, остальные же двинулись в Николаевск. Оставив для защиты поста ещё одну роту, две других погрузили на транспорт «Двина» и отправили в Петропавловск, так как Муравьёв, в 1849 году сделавший этот порт главной базой российского флота на Тихом океане, не оставлял надежды сохранить за ним и впредь данное значение. Подкрепление высадилось в Петропавловске за две недели до появления в Авачинской бухте англо-французской эскадры.

Ожидая появления неприятеля, Муравьёв предложил было Путятину ввести «Палладу» в Амур, но 9 августа сам нарушил прежний план, поспешив на шхуне «Восток» в Аян, чтобы успеть до ледостава вернуться в Иркутск, а затем отослав сё в Петропавловск. Ввести же сидевший на 22 фута (6,7 м) фрегат через амурский бар, буксируя его одними шлюпками, не удалось даже после полного разоружения. Путятину пришлось отправить «Палладу» на буксире подошедшей 18 июля к мысу Лазарева «Дианы» в Императорскую гавань, где она и осталась на попечении боцмана Синицына с десятью матросами. Основная часть команды «Паллады» была переведена на «Диану», матросы которой проявили бунтарский дух и едва не выбросили за борт своего командира, капитан-лейтенанта С.С. Лесовского²⁶. Последние же пополнили гарнизон Николаевска, усиленно занимавшийся в те дни строительными работами. Распоряжением Невельского, 25 августа произведённого в контр-адмиралы, возводились две большие казармы с походной церковью и лазаретом, четыре офицерских флигеля, здание канцелярии с гауптвахтой, несколько складов, кузница, мастерская и другие сооружения. 22 октября начальник Амурской экспедиции заложил батарею на мысе Куегда. К концу 1854 года николаевский гарнизон насчитывал 820, петровский — 80, а мариинский — 150 человек²⁷.