Для запланированной экспедиции летом 1764 года в Архангельске стали строить суда специальной конструкции под контролем главного командира Архангельского порта капитан-командора П. Чаплина (участника экспедиции В. Беринга) и его помощника В. Чичагова.
Пока перечисленные корабли строились, из Архангельска 6 июня 1764 года вышла флотилия под командованием лейтенанта Михаила Немтинова, состоящая из транспорта «Слон» и четырех нанятых поморских судов (гукоров): «Св. Николай», «Св. Наталья», «Св. Иоанн» и «Св. Михаил». Суда везли на своем борту на Шпицберген провиант для будущей экспедиции В. Чичагова, а также разобранные избы, баню, лес и другие материалы для организации зимовки. В начале августа флотилия достигла бухты Клокбай на западном побережье Шпицбергена, где и осуществила плановую выгрузку. Оставив на берегу группу обеспечения из 16 человек под руководством лейтенанта Моисея Рындина для обустройства зимовья, флотилия вернулась в Архангельск.
1 сентября 1764 года экспедиция В. Чичагова вышла из Архангельска и без потерь достигла Кольского полуострова, где расположилась на зимовку в Кольском заливе, в Корабельной гавани, которую Василий Яковлевич тогда же переименовал в Екатерининскую – в честь императрицы, отправившей экспедицию.
9 мая 1765 года экспедиция вышла уже из Екатерининской гавани и двинулась на север. Уже 16 мая суда миновали остров Медвежий, за которым их встретили дрейфующие льды.
23 июля экспедиция достигла 80° 26′ северной широты в Гренландском море, превзойдя рекорд англичанина Генри Гудзона 1607 года, но дальше суда пройти не смогли из-за сплошных мощных дрейфующих льдов. В результате В. Чичагов принял решение возвращаться в Архангельск.
Вторая экспедиция была предпринята в следующем году. 19 мая 1766 года суда вышли из Архангельска с задачей реабилитировать саму идею Северо-Восточного прохода. Корабли подремонтировали и обили железом по форштевням, чтобы предотвратить негативное воздействие морских льдов.
16 июля 1766 года суда с трудом пробились к северной оконечности Шпицбергена, где тяжелые льды опять преградили дальнейший путь на север. В. Чичагов, поняв, что пройти дальше невозможно, опять был вынужден принять решение о возвращении судов в Архангельск. На обратном пути 30 июля он зашел в бухту Клокбай и взял на борт партию М. Рындина, в которой к этому времени восемь человек умерло от цинги.
10 сентября 1766 года экспедиция В. Чичагова вернулась в Архангельск.
В рапорте («Оправдательной записке») Адмиралтейств-коллегии В. Чичагов сделал заключение о невозможности пройти Северным проходом, указав, что предположение о чистом ото льда море севернее Шпицбергена не оправдалось. Кроме установления данного факта, В. Чичагов сделал другое важное географическое открытие, отметив в своем рапорте, что льды севернее архипелага Шпицберген дрейфуют с востока на запад.
Тем не менее в рескрипте императрицы Екатерины по поводу экспедиции было высказано недовольство: «достигнуть бы до Гренландии было можно… новые и неведомые берега Гренландии, может быть, открыты б были». В результате императрица приказала завершить попытки поиска Северного прохода. В то же время, отдавая дань уважения членам экспедиции, она 22 декабря 1766 года подписала указ, согласно которому В. Чичагов и все его отличившиеся офицеры стали получать пожизненный пенсион в половину оклада, который они получали во время экспедиции.
