Едва Сарычев возвратился в Петербург, как до него дошли слухи о том, что затевается новая экспедиция на Колыму, Камчатку и в Америку. Почти такая же большая, как Вторая Камчатская экспедиция Витуса Беринга, которую чаще всего именовали Великой северной экспедицией. Новое важное географическое предприятие готовилось в строжайшей тайне. Но мало-помалу среди офицеров распространились сведения о ее целях. Говорили, что она будет заниматься открытиями на восточнейших берегах и морях Российской империи. Прежде всего путешественникам предстоит точно определить долготу и широту устья реки Колымы, исследовать берега "Великого Чукотского носа до мыса Восточного" (ныне мыс Дежнева), составить карты островов на Восточном (Тихом) океане от Камчатки до берегов Америки и совершенней познать моря, лежащие между "матерой" землей Сибири и противоположными берегами Америки.
Именно в такой экспедиции мечтал участвовать Сарычев. Вскоре он подал рапорт в Адмиралтейств-коллегию с просьбой зачислить его в состав тех, кто готовился к походу. Такое же прошение подал и Христиан Беринг, стремившийся увидеть земли и острова, открытые его Дедом.
8 августа 1785 года русское правительство приняло решение о снаряжении географической и астрономической экспедиции. Ее главной задачей являлось исследование северо-востока России, включая Чукотку, островов и морей в северной части Тихого океана и северо-западных берегов Америки, открытых Берингом и Чириковым и освоенных русскими промышленниками.
Начальником экспедиции был определен поручик (позже капитан) Иосиф Биллингс, принимавший участие в последнем плавании Джеймса Кука и затем перешедший на службу в русский флот. В число своих помощников Биллингс избрал лейтенантов Гавриила Сарычева, Христиана Беринга и Роберта Галла. Всего в путешествии предстояло участвовать 141 человеку, и среди них — художнику Луке Воронину, чьи рисунки дошли до нашего времени.
Сарычев 31 августа отправился к знаменитому путешественнику и естествоиспытателю академику П.С. Палласу и под его руководством до самого отъезда из столицы занимался практикой определения координат, а в середине сентября 1785 года первым из офицеров покинул Петербург. Ему поручалось потребовать от иркутских властей, чтобы предстоящей зимой в одном из колымских острогов — Верхнем или Среднем — был заготовлен двухлетний запас провианта для ста человек, а затем отправиться в Охотск и осмотреть, пригодны ли имеющиеся там суда для плавания по Тихому океану.
Шли беспрерывные дожди. Дороги пришли в негодность. Лошади медленно тащили повозку путешественника. Потребовалось более месяца, чтобы добраться до Тобольска. 28 октября он переправился на лодке через Обь, по которой несло множество льда. 10 ноября Сарычев приехал в Иркутск, где встретился с генерал-губернатором Якоби и познакомился с людьми, которым доводилось бывать в Охотске. Они сообщили, что имеющиеся в Охотском порту суда находятся в жалком состоянии. На них рискованно плавать к восточному побережью Камчатки, не то что к Америке или Берингову проливу. Пришлось сочинять представление генерал-губернатору, прося запасти необходимые материалы и снаряжение для постройки новых судов.
В начале декабря Сарычев простился с Иркутском и направился дальше на восток то реками, то дорогами, которыми впервые прошли русские землепроходцы всего лишь полтора века назад.
То было время, когда вслед за казаками Ермака в Сибирь устремились русские люди, в основном выходцы из разгромленной и разграбленной опричниками Ивана Грозного обширнейшей и могущественной Новгородской земли. Они основали Обский городок, Сургут, Тюмень, Тобольск, Тару, Березов, Обдорск, Мангазею на тех самых речных путях, которые были знакомы новгородцам еще с середины XIV века.
Одно великое географическое открытие следовало за другим. В смутное время мореход Лука, выйдя из Оби, достиг Северным Ледовитым океаном сначала устья Енисея, а затем Пясины. В 1610 году в тех же местах побывал торговый человек Кондратий Курочкин, прежде живший на Северной Двине. Пять недель льды удерживали его в устье Енисея. В начале августа он вышел в океан и достиг реки Пясины. Вслед за Курочкиным неизвестные нам по именам мореходы прошли по рекам к северному и восточному берегам Таймыра и вскоре обогнули его полностью.
В 1623 году русские достигли среднего течения Лены. Спустя десять лет Иван Ребров открыл устье реки Оленек, а Илья Перфирьев — устье Яны (они вместе первыми спустились из Якутска вниз по Лене до ее устья). Вскоре в тех же местах побывал Елисей Буза. Затем были открыты устья Анабары и Хатанги.
В 1641–1642 годах Иван Ерастов открыл устья Индигирки и Алазеи, совершив плавание по Восточно-Сибирскому морю. Вслед за ним по Индигирке спустился Михаил Стадухин и достиг морем устья Колымы. Это было в 1644 году. Во время плавания он видел на севере и "горы снежные", и ручьи знатные, и "пади". Стадухин полагал, что это был тот самый великий остров, который видели мореходы, плававшие "от Святого носу к Яне реке, и от Яны к Собачьей, Индигирке тож, и от Индигирки к Колыме".
Мореходы в своих плаваниях от Новой Земли до Колымы многократно видели на севере неведомые берега. Они принимали видимые горы за один исполинский остров, протянувшийся через Студеное море. Эти попутные наблюдения подтверждались рассказами местных жителей. Один из них записал Михаил Стадухин. "Ясырка" (невольница) Калиба сообщила, что к северу от Колымы есть большой остров, на который чукчи, когда замерзнет море, добираются на оленях в течение одного дня.
Михаил Стадухин построил Нижнеколымский острог. Спустя три года отсюда вышла экспедиция Федота Алексеева и Семена Дежнева. Но первая попытка пройти к востоку от Колымы закончилась неудачей. Их суда — кочи были остановлены льдами. Во второй половине июня 1648 года Федот Алексеев и Семен Дежнев на семи кочах снова вышли на восток. В сентябре они находились в проливе между Азией и Америкой, который спустя 80 лет предстояло заново открыть Берингу. Путешественники высадились на берег, где встретили много чукчей. Против Чукотского носа на островах видели людей, которых "называют зубатыми", поскольку они протыкают "сквозь губу два зуба немалых костяных". Во время бури 1 октября суда Федота Алексеева и Семена Дежнева разлучились. Коч Семена Дежнева выбросило около реки Анадырь, а коч Федота Алексеева был прибит к берегам Камчатки, где и погиб.
Предания об обширной суше, якобы лежащей к северу от материка, упорно держались в Сибири. Эту исполинскую землю, которую порой отождествляли с континентом, пытались искать в начале XVIII века, что положило начало вторичному открытию Новосибирских островов, посещавшихся русскими мореходами еще в XVII веке.