Через четыре года Михаил Петрович был назначен командиром шлюпа «Мирный» – одного из двух кораблей, планировавших добраться до Антарктиды. Так как поиски командующего второго судна, «Востока», затянулись, управлять всей подготовкой путешествия Лазареву пришлось самостоятельно. Сам Беллинсгаузен окончательно был утверждён командиром «Востока» только за месяц до отплытия. В конечном счёте в июне 1819 года «Восток» возглавил Фаддей Беллинсгаузен, а через месяц суда покинули порт и вышли в плавание.
Шлюпы вышли в море из порта в Кронштадте в середине лета 1819 года. К ноябрю суда достигли Рио-де-Жанейро, потом – острова Южная Георгия, где Беллинсгаузен открыл архипелаг Траверсе. 3 января 1820 года они приблизились к группе островов Южный Туле, где столкнулись с огромным количеством айсбергов.
Спустя две недели плавания в южном направлении моряки обнаружили, что поля льда повсюду, куда достаёт человеческий взгляд. К марту 1820 года суда разделились и взяли курс на Австралию через Индийский и Южный океаны, причём вглубь последнего до того никто не заходил. После Австралии корабли исследовали Тихий океан, совершили открытия ряда островов и атоллов, а затем вновь вернулись в порт Джекон, будущий Сидней.
В июле экспедиция подошла к архипелагу Туамоту, где открыла несколько неизвестных ранее атоллов. После корабли взяли курс на Таити, севернее которого обнаружились новые острова. В ноябре 1820 года, когда в Антарктике началась весна, Фаддей Фаддеевич вновь взял курс на Южный полюс. В начале зимы корабли попали в страшную бурю и после этого ещё трижды, пересекая Полярный круг, предпринимали не увенчавшиеся успехом попытки приблизиться к ледяному материку.
10 января 1821 года экспедиция заметила чёткие признаки земли, но льдины не давали никакой возможности проложить к ней маршрут. Ещё какое-то время попытав удачу, шлюпы всё-таки повернули на восток и двинулись к открытым незадолго до этого Шетландским островам. Продолжать экспедицию дальше было невозможно – «Восток» был сильно повреждён и требовал капитального ремонта, и Беллинсгаузен отдал приказ возвращаться в Россию. 24 июля (по старому стилю) 1821 года шлюпы вернулись в кронштадтский порт через 751 день плавания. Итогом экспедиции стало опровержение утверждения Жана Лаперуза о непроходимости льдов за Южным полярным кругом.
Значение экспедиции трудно переоценить – Джеймс Кук в XVIII веке первым достиг морей возле Южного полюса и сообщил, что местные льды полностью непроходимы. Беллинсгаузен спустя 45 лет и это утверждение опроверг, он трижды пересёк Южный полярный круг, причём на судах, совершенно неподготовленных к подобным климатическим условиям.
Благодаря экспедиции были обнаружены Коралловая мель и 29 островов. Участники плавания собрали обширные этнографические коллекции и сделали подробные зарисовки Антарктики и её животного мира. Сам Фаддей Фаддеевич рассматривал экспедицию как служебный долг, дополнительно оказавшийся полезным и для науки.
Фаддей Фаддеевич Беллинсгаузен после завершения плавания к Антарктиде был произведён в чин капитана 1 ранга, затем стал капитан-командором. В 1826 году мореплаватель дослужился до чина контр-адмирала и в этом звании участвовал в Турецкой кампании 1828–1829 годов, отличившись при взятии Мессеврии и Инады. В 1843 году Беллинсгаузен стал адмиралом, а закончил службу в российском флоте уже в звании генерала, состоящего при особе Его Величества.
