В Петербурге, после изучения сведений, отправленных Невельским о результатах пограничных экспедиций Орлова и Бошняка, правительство сосредоточило внимание на Сахалине, имевшем теперь стратегическое значение для будущих планов империи. С работами на материке можно было подождать, учитывая нехватку людей и средств. Невельской получил приказание Муравьёва направить десант на Сахалин и попытаться его занять. Действовать предполагалось решительно и быстро, чтобы опередить занятие острова европейскими державами и американцами, которые, возможно, об этом даже и не помышляли. Китайцев на острове не было, а японцы не представляли серьёзной угрозы.
Выполняя поручение генерал-губернатора, Невельской стал готовить десант. Для проведения разведки в августе 1853 года он сам направился к западному берегу острова на транспорте «Байкал». Орлова и пять казаков из якутов 13 августа высадили на западном побережье Сахалина.
Орлов двинулся на юг в поисках подходящего места и, как ему было предписано, около 50 градусов северной широты 30 августа основал русский военный пост, назвав его Ильинским. Пост, конечно, громко сказано, но так, по крайней мере, он значился во всех официальных бумагах. После чего, оставив трёх казаков нести службу, заключавшуюся в основном в добыче пропитания и устройстве защиты от дождя, направился с двумя другими пешком вдоль берега острова. Невельской приказал ему искать удобную бухту. В пути Дмитрий Иванович производил съёмку берега, делал промер озёр и проток, определял широту, вёл заметки, записывая собранные у местных жителей сведения, имевшие большое практическое значение для последующих действий русских моряков на Сахалине. Ему предстояло пройти восточный берег острова до мыса Крильона. Туда в половине сентября должно было прийти судно, подав условный сигнал – девять выстрелов. Если судно не появится, то ему следовало перейти к заливу Анива.
Путешествие было опасным и тяжёлым. Нередко приходилось ночевать голодными под открытым небом. Только до поры до времени крепкое здоровье позволяло Орлову справляться с такими нагрузками. Ему, самому старшему по возрасту в Амурской экспедиции, приходилось делать работу молодых мичманов и лейтенантов. Невельской с этим обстоятельством нисколько не считался, как и с тем, что в отличие от молодых офицеров у Орлова была семья, маленькие дети.
Судно Российско-американской компании «Николай» с Невельским и вновь назначенным для службы в Амурской экспедиции майором Николаем Вильгельмовичем Буссе пришло к мысу Крильона не 15‑го, а 18 сентября. Дали условные девять выстрелов, но ответа не получили.
Тогда Невельской приказал перейти в залив Анива и высадить там десант. Русские высадились близ селения, в котором находились айны и японцы. По словам некоторых историков, айны и японцы пытались отпугнуть русских, освещая в ночное время макеты батарей, но документами это не подтверждается.
Невельской писал, что десант высаживали утром, под прикрытием судовых орудий, на вооружённых гребных судах. Никакого сопротивления русские не встретили. Сбежавшимся айнам и японцам Невельской через переводчика объявил, что пришёл, «чтобы их защищать от насилий команд иностранных судов и что поэтому вовсе не желает делать им что-либо дурное; если же они не разойдутся, тогда им будет худо». Неясно, что больше подействовало: радость от появления неожиданных защитников или обещание, что им мало не покажется, если не разойдутся, – но «айны вместо ответа начали кланяться и махать ивовыми палочками, концы которых были расщеплены в виде метёлок, что вообще у местных жителей означало дружелюбие и гостеприимство».
