Подпоручик Лев Попов на байдаре отправился с разведкой на север, но ничего, кроме наносных шхер со множеством тюленей и птиц, не обнаружил. Ещё одну байдару — с мичманом Эдуардом Гроте — отправил Невельской, но и она возвратилась ни с чем.

«Байкал» подошёл к северной оконечности Сахалина — мысу Елизаветы. Здесь снова — шлюпка за шлюпкой — плыли к противоположному берегу, моряки находили там пресные озёра, но соединения их с рекой не обнаружилось.

В это время с «Байкала» велась съёмка очертаний Северного Сахалина, при этом исправлялись ошибки, допущенные при прежних работах, особенно связанные с неверным определением долготы. По карте, составленной Крузенштерном и Беллинсгаузеном, получалось, что «Байкал» плыл по суше. Закончив съёмку на севере и обогнув мыс Марии, Невельской пошёл вдоль западного берега Сахалина на юг. Сутки пришлось потратить на то, чтобы сняться с мели, коварно подкараулившую транспорт. 20 июня моряки вышли на глубокое место и встали на якорь в заливе, который назвали именем корабля — Байкал. Именно этот залив обнаружил впервые в 1846 году штурман Александр Гаврилов, совершавший по указанию Ф.П. Врангеля переход из Ново-Архангельска к Западному Сахалину и чуть было не открывший устье Амура.

Открытую им бухту Гаврилов назвал заливом Обмана. Теперь именно здесь поставил Невельской на якорь «Байкал», продолжив поиски Амурского лимана с помощью шлюпок и алеутских байдар.

Затем он медленно двинулся на юго-запад, измеряя глубины и не зная, что совсем недалеко от Обмана находится Истина. Очередной мели избежать не удалось. Снявшись с неё, «Байкал» с чрезвычайной осторожностью, постоянно меняя курс, двинулся к материковому берегу. 27 июня он снова стал на якорь.

Поиск продолжался с помощью шлюпок. Мичман Алексей Гейсмар с недельным запасом продуктов, шестью матросами и юнкером, князем К.Ухтомским, на вельботе отправился к берегу. С двумя матросами Гейсмар прошёл к селению — в нём было три десятка домов. Затем, отсмотрев с возвышенности окрестности, увидел второе селение. С трудом продираясь через густые заросли кедрового стланика, только на следующий день мичман попал в деревню, где моряков встретили около полутораста жителей. Село находилось на мысе Головачёва, к которому на баркасе подошёл Казакевич. Совместные поиски снова не дали результатов. Кругом была лишь заболоченная местность, и 3 июля моряки вернулись на транспорт.

Через два дня была сделана новая попытка. Мичман Гроте с матросами обнаружил ещё одно селение аборигенов, дома в нём были покрыты берёзовой корой, а жители одеты в оленьи шкуры. Несколько дней бродил по берегу Гроте среди песчаных холмов, заросших лиственничным криволесьем, и торфяных болот, пересекая множество ручьёв, мелеющих при отливе. Но проход в лиман Амура так и не нашёл.

В те же дни Пётр Казакевич с двумя матросами миновал на шлюпке песчаные наносы и вышел к скалистому берегу, покрытому густым лесом, затем спустился по течению реки, где впервые встретил глубину до 20—30 саженей. Когда Казакевич поднялся на возвышающуюся над рекой гору Табах, чтобы точно определить её координаты, используя астрономические наблюдения, то был поражён открывшейся перед ним картиной.

На запад расстилалось огромное водное пространство, «которому не было конца», это и был так долго разыскиваемый Амур. Прямо на горизонте, за широким лиманом, проступали очертания Сахалина. Спустившись с горы, Казакевич поднялся вверх по Амуру до гилякского селения Чныррах и вернулся после семинедельного путешествия на «Байкал».

15 июля Невельской сам на вельботе с двумя шлюпками отправился в плавание. С ним были три офицера, врач и 14 матросов. Проверили измерения глубин, выполнили несколько астрономических определений координат, выявили фарватер на Амуре.

22 июля Невельской со своей командой достиг того места, где берег материка ближе всего подходил к сахалинскому. «Здесь, — писал он в отчёте, — между скалистыми мысами на материке, названными мною — Лазарева и Муравьёва, и низменным мысом Погиби на Сахалине вместо найденного Крузенштерном, Лаперузом, Браутоном и в 1846 году Гавриловым низменного перешейка, мы открыли пролив шириною в 4 мили и с наименьшей глубиной 5 саженей... Мы возвратились обратно и, проследовав открытым нами Южным проливом, не теряя нити глубин, выведших нас из Татарского залива в лиман, направились вдоль западного берега Сахалина».

Прежде чем вернуться с неожиданной вестью о своём открытии в Охотск, Невельской провёл съёмку и опись юго-западного побережья Охотского моря, что предполагалось инструкцией. Описаны были несколько островов, длинный залив, перегороженный песчаными намывными барами (подводными валами), измерены глубины. Найден был участок залива, в который могли бы заходить суда без риска сесть на мель. Невельской назвал его заливом Счастья.

Никаких сведений от «Байкала» уже давно не поступало. В Охотске, куда должен был вернуться Невельской, забеспокоились о судьбе корабля. Генерал-губернатор Н.Н. Муравьёв отправил на поиски офицера М.С. Корсакова на шхуне «Кадьяк». Однако Корсаков ни с чем возвратился в Аян, где на транспорте «Иртыш» находился сам генерал-губернатор.

«Байкал» нашёл поручик Дмитрий Орлов, посланный на байдарах управляющим Охотским отделением Российско-Американской компании Василием Завойко. Взяв Орлова на борт, Невельской направился в Аян. Увидев показавшийся «Байкал», Муравьёв поплыл к нему навстречу на вельботе. Невельской крикнул ему с борта транспорта: «Сахалин — остров! Вход в лиман и реку Амур возможен для морских судов с севера и юга!»

При встрече с Муравьёвым он рассказал, что 10 июля, покинув «Байкал», на трёх шлюпках участники экспедиции двинулись вдоль берега материка, обогнули мыс Табах и пошли вверх по реке, достигнув к концу дня полуострова Куегда. 13 июля повернули вниз по реке, к мысу Пронге, южнее устья Амура. 15 июля шлюпки вошли в лиман и поплыли по нему к югу.

22 июля 1849 года моряки оказались там, где материковый берег совсем близко подошёл к сахалинскому, но не соединился с ним низменным перешейком, о котором писал Лаперуз, через 10 лет после него англичанин Браутон, а ещё через 10 лет Иван Фёдорович Крузенштерн. Никакого перешейка не было, лишь два скалистых мыса материка, которым Невельской дал имена Лазарева (сподвижника Беллинсгаузена) и генерал-губернатора Муравьёва, сближались с низменным сахалинским мысом Погиби. Материк и остров разделял пролив шириной 4 мили с глубиной больше 5 сажен (10,5 метров).

Из Амурского лимана было два выхода: северный — в Охотское море и южный — в Татарский пролив, отделяющий от материка остров Сахалин.

Свой доклад об открытии устья Амура Невельской передал Муравьёву, который ехал в Иркутск, а затем — в Петербург. «Байкал» встал на Охотский рейд, а Невельской отправился в Иркутск. Там он успел застать Муравьёва, которому подал записку, где говорилось: «необходимо обратить всё наше внимание на приамурский край», а главный российский порт на Тихом океане целесообразно устроить ближе к устью Амура, а не в Петропавловске-Камчатском. Невельской попросил Муравьёва направить поручика Орлова в залив Счастья для промера глубин на фарватере в устье Амура. Получив записку, Муравьёв написал Меншикову: «Сделанные Невельским открытия неоценимы для России: множество предшествовавших экспедиций в эти страны могли достигнуть европейской славы, но ни одна не достигла отечественной пользы, по крайней мере в той степени, как исполнил это Невельской».

Польза была, это сразу понял «хозяин» Восточной Сибири, в приобретении огромнейшей территории, соизмеримой с половиной Европы. Россия могла овладеть бассейном великой судоходной реки, выходящей в Тихий океан. Муравьёв направил в Петербург своё предложение: устроить в заливе Счастья, куда могли заходить корабли из Охотского моря, поселение на 60—70 человек для торговли с местными жителями.