3 апреля 1839 года начались санные выезды для исследований.
В апреле – июне С. А. Моисеев со спутниками измерял толщину оттаивающей почвы. К началу июня глинистая почва оттаяла на 7 дюймов. Толщина льда в спокойном месте, равнявшаяся 12 апреля 53½ дюйма, к 16 июня уменьшилась до 25 дюймов.
22—23 июня спустили на воду обе шхуны. Командиром шхуны «Новая Земля» С. А. Моисеев назначил кондуктора Корпуса флотских штурманов Г. С. Рогачева. Всего к этому времени умерло уже девять человек.
4 июля С. А. Моисеев на карбасе с четырьмя матросами вышел к северу для описи берегов. Вскоре у берега севернее мыса Литке карбас перевернуло волной, после чего экспедиция, поставив (перевернув) карбас на ровный киль, вернулась к зимовью.
13 июля Г. С. Рогачев вышел на юг для попутной описи берегов архипелага, а С. А. Моисеев на карбасе снова отправился на север.
17 июля С. А. Моисеев подошел к южному плечу Машигиной губы и назвал его мысом Шанца – по имени командира корабля, на котором он в 1834—1836 годах участвовал в кругосветном плавании.
25 июля у северного плеча Машигиной губы члены экспедиции увидели за небольшим островом, позже названным Борисов, четыре промысловых поморских судна: две лодьи и две шняки, вмороженные в лед.
1 августа С. А. Моисеев вернулся в свое зимовье и 4 августа на шхуне «Шпицберген» пошел на юг.
7 августа шхуна подошла к какому-то острову, и по надписи на кресте узнали, что это становище Малые Кармакулы. Экспедиция за три дня описала и становище, и весь остров.
7 августа Г. С. Рогачев на шхуне «Новая Земля» занялся описью реки Нехватовой и лежащих перед нею островов, а своего помощника, кондуктора Корнера, отправил на карбасе для описи берега к северу от этой реки. 19 августа шхуна перешла к островам Белым, с которых на шлюпках был описан берег до мыса Черного (юго-восточный мыс Костина Шара).
11—13 августа экспедиция С. А. Моисеева занималась описью берегов к югу от Малых Кармакул.
14 августа С. А. Моисеев произвел опись расположенного к северу становища Большие Кармакулы. В Больших Кармакулах экспедиция нашла избу, в которой в 1836—1837 годах зимовали одиннадцать промышленников с лодьи купца Карнеева. Девять из них умерли (в 1836 году в Грибовой губе зимовала другая лодья, весь экипаж которой из 12 человек умер).
17—18 августа С. А. Моисеев закончил опись Больших Кармакул и на карбасе продолжил опись берега до губы Пуховой.
25 августа 1839 года остатки экспедиции на шхунах «Шпицберген» и «Новая Земля» вышли в обратный путь.
10 сентября шхуна «Шпицберген» под командованием С. А. Моисеева прибыла в Архангельск, пробыв в плавании 450 суток.
Г. С. Рогачев по распоряжению С. А. Моисеева 31 августа прибыл с экспедицией на «Новой Земле» в губу Старцева в Горле Белого моря. 3 сентября, когда ветер стих, шхуна вышла в море. Однако поднявшимся сильным северо-западным ветром и волной шхуну перебросило через риф, дно ее оказалось проломленным, и спасти судно было уже невозможно. В результате Г. С. Рогачев с командой на попутных судах только 19 октября вернулся в Архангельск.
Несмотря на трагический исход экспедиции и не очень большие географические и гидрографические результаты работы, она все же существенно дополнила карты архипелага Новая Земля. Были определены широты четырех губ: Мелкой, Машигиной, Моллера и Нехватовой. В тех же местах были определены склонение и наклонение магнитной стрелки, величины приливов, прикладные часы и скорости приливо-отливных течений. Все время велись ежечасные метеорологические наблюдения.
