Ранней весной 1890 г. участники Тиманской экспедиции отправились из Петербурга к Усть-Пинеге. Пройдя с большими трудностями на лодках по Пинеге, Кулою и Мезенской губе, значительное пространство которой было еще покрыто льдом, экспедиция добралась до Мезени, где были сделаны последние приготовления перед полевым сезоном. 15 мая сразу после вскрытия низовьев Пезы экспедиция двинулась вверх по этой реке, но вскоре встретила сильный ледоход, очень затруднивший путь, и только через 11 дней достигла водораздела между реками Рочугой и Цыльмой. Из-за отсутствия оленей пришлось весь груз переносить вручную, поэтому только 4 июня удалось отправиться вниз по Чирке и Цыльме к устью р. Космы. Достаточно быстро достигли на лодках Косминского озера, где были найдены олени, с помощью которых был преодолен перевал в систему р. Пёши; попутно был изучен маршрутами Космйнский кряж, протягивающийся в меридиональном направлении.
19 июня экспедиция прибыла на Пёшу. Ф. Н. Чернышеву и здесь удалось нанять оленей, которые обеспечивали передвижение экспедиции до самой осени. Отсюда работы продолжали двумя партиями: Д. Е. Сергеев и Н. И. Лебедев засняли берег моря от устья Пёши до устья Индиги, а Ф. Н. Чернышев пересек Тиманский кряж по рекам Волоковой и Суле. Затем Д. Е. Сергеев и Н. И. Лебедев переместились для работы на Цыльму, Ф. Н. Чернышев и О. А. Баклунд продолжали работы в тундре до 5 августа. Вторую половину августа и сентябрь экспедиция работала на Цыльме, Нерице, Ижме, Кедве и Пижмах. Во второй половине сентября начались сильные морозы и метели, и к Мезени экспедиция вышла на лодках, пробиваясь сквозь тяжелый лед.
Работами 1890 г. была охвачена огромная площадь, превышающая 60 000 квадратных верст. Как и в предыдущем сезоне, была составлена карта 3-верстного масштаба, опиравшаяся на сеть триангуляционных пунктов, определенных академиком О. А. Баклундом.
Поскольку северная часть Тимана, где проходили работы Ф. Н. Чернышева в 1890 г., прежде совсем не исследовалась, много внимания уделялось в этом сезоне географическим и геоморфологическим наблюдениям. Было установлено, что между реками Пижмами и берегом Ледовитого океана Тиманский кряж представляет собой четыре резко выраженные параллельные цепи возвышенностей, из которых восточная, сложенная каменноугольными известняками, оканчивается на севере круто обрывающимся к морю утесом Святой Нос. К югу эта гряда, пересеченная реками Индигой, Сулой, Цыльмой, слагает ущелье на р. Мыле и уходит к Пижме Печорской. Резко очерченная долина отделяет эту гряду от параллельно протягивающегося кряжа, сложенного массивными покровами среди девонских песчаников. Эту гряду называют Чайцынским Камнем, у моря он наиболее выражен по сравнению с параллельными ему грядами. Следующая к западу цепь — Тиманский Камень, в северной части представленная девонскими сланцево-песчаниковыми породамщ очень полого спускается к морю. К югу же в истоках Волонги гряда Тиманского Камня пересечена р. Сулой, а еще южнее, в притоках Космы, теряется в постплиоценовой низине. Самую западную сплошную цепь возвышенностей — Косминский Камень — можно четко различить лишь от р. Цылъмы до района Косминского озера. К северу он переходит в ряд увалов, сохраняя характерные черты своего геологического строения. К югу от Косминского озера эта гряда снивелирована процессами размыва и практически неразличима в платообразной местности. Все эти гряды к югу от речной системы Пижмы утрачивают свою геоморфологическую обособленность, и вся местность представляет собой плоскую возвышенность.
Ф. Н. Чернышев отметил сложное геологическое строение долины, отделяющей Тиманский Камень от Чайцынского. Здесь из-под древнейших сланцевых пород Тимана выступают массивные кристаллические породы — оливиновые диабазы и меланофиры, в виде обширных покровов развитые среди верхнедевонских песчаников и нередко разбитые призматической отдельностью, сходной с отдельностью базальтов и долеритов. Для выяснения залегания этих покровов были изучены разрезы на реках Суле и Пижме Печорской, где существование этих пород ранее не предполагалось.
Как и на Южном Тимане, древнейшими породами в районе работ 1890 г. оказались глинистые и серицитовые сланцы, на которых о несогласием залегают верхнесилурийские породы северной оконечности Тимана. Здесь на севере можно наблюдать характер соотношений силурийских и верхнедевонских отложений: последние залегают на силурийских трансгрессивно и представлены почти исключительно песчаниками, мергелями и глинистыми сланцами, содержащими обильную фауну и хорошо сохранившиеся растительные остатки. К верхнему девону Ф. Н. Чернышев отнес также и кварцевые рыхлые песчаники, слагающие Чайцынский и Тиманский Камни, принимавшиеся ранее за каменноугольные отложения. Верхнедевонские отложения слагают все четыре тиманские гряды и представляют собой дислоцированную свиту одних и тех же пород. В районе Цыльмы, Мылы и Пижи в верхних горизонтах верхнедевонской толщи появляются прослои известняков с хорошо сохранившейся фауной рыб и снириферид.
Изучение каменноугольных известняков в северной части Тимана подтвердило схему их расчленения, предложенную Ф. Н. Чернышевым в 1889 г., и позволило значительно пополнить палеонтологические коллекции и тем самым более основательно провести параллелйзацию этих отложений с соответствующими подразделениями Урала. Наиболее полные разрезы каменноугольных известняков были встречены на пересечениях восточной Тиманской гряды реками Сулой, Белой и Индигой.
На восточном склоне Тимана в районе рек Цыльмы, Мылы, Пижмы Печорской и Нерицы Ф. Н. Чернышев обнаружил пермские отложения, представленные мергелями, глинами, песчаниками и известняками. По его мнению, эти отложения могут быть соотнесены с породами нижней красноцветной пермской толщи южных районов Тимана, а такжн Приуралья. На восточном склоне Тимана на эти красноцветные пермские отложения непосредственно налегают мезозойские осадки, на западе же, в районе Пёши, на них лежит тол- . ща серых песчаников с обильной фауной.
Мезозой на Северном Тимане в основном представлен теми же горизонтами, которые были установлены Ф. Н. Чернышевым в южной части кряжа. В келловейских и оксфордских отложениях был собран большой палеонтологический материал. Особый интерес вызвало открытие им на обоих склонах Тимана киммерийских отложений, содержащих фауну, близкую к некоторым формам, описанным А. П. Павловым в киммерийских слоях Симбирской губернии. В нижневолжских слоях также удалось найти несколько экземпляров фауны хорошей сохранности, подтверждающей возраст этого горизонта. В глинах и рыхлых песчаниках были найдены также аммониты, напоминающие формы германского неокома.
Работами Тиманской экспедиции 1890 г. среди послетретичных отложений были обнаружены мощные морсцие постплиоценовые глины и пески с валунами кристаллических и осадочных пород, нередко покрытых отчетливой штриховкой. В этих отложениях, распространяющихся от берегов Ледовитого океана до водораздела Цыльмы и Рочуги и верховьев Мылы, была собрана богатая фауна, имеющая большое сходство с современной фауной Мурманского побережья и фауной морского постплиоцена, описанной академиком Ф. Б. Шмидтом на Енисее. Над глинами и песчаниками, содержащими эту морскую фауну, залегают слоистые песчаные отложения с прослоями гравия и валунов с очень редкой фауной., Некоторые разности постплиоценовых глин принимались предшественниками Ф. Н. Чернышева за мезозойские из-за наличия в них конкреций с юрскими и меловыми ископаемыми. Ф. Н. Чернышеву удалось отыскать в этих глинах современные морские раковины. Почти не были обнаружены следы деятельности материкового льда (за исключением штрихов и шрамов на сглаженных поверхностях скал северной оконечности Тимана), так как они были уничтожены, как предположил Ф. Н. Чернышев, последовавшей обширной трансгрессией Ледовитого океана.
Экспедицией были также осмотрены все рудопроявления и месторождения медных руд, из которых, по мнению Ф. Н. Чернышева, заслуживали внимания лишь разведанные месторождения на р. Цыльме, где руды развиты в виде гнездообразных скоплений среди глин нижних горизонтов верхнедевонских отложений.
