Власти приняли решение создать специальную экспедицию, которой поручалось тщательно обследовать наименее изученный восточный участок будущей сквозной трассы, от Берингова пролива до устья Лены. Морякам предписывалось, «если позволит состояние льдов, следовать с описью от устья реки Лены далее на запад», то есть попытаться пройти с востока на запад всю ледовую дорогу. До них это удалось проделать лишь однажды: в 1878—1879 гг. шведская экспедиция на судне «Вега» под начальством Нильса Адольфа Эрика Норденшельда прошла с зимовкой весь Северный морской путь с запада на восток.
На Невском судостроительном заводе в Петербурге были заложены ледокольные транспорты «Таймыр» и «Вайгач», первые корабли с металлическим корпусом, предназначенные для арктических плаваний. По мысли тогдашнего начальника Главного гидрографического управления генерал-лейтенанта А. И. Вилькицкого, цёль предстоящей экспедиции сводилась «не к плаванию через льды, а к пользованию свободной водой... В силу этого главным вопросом в плавании Ледовитым океаном является знание физико-географических условий в этом районе, а также знание фарватеров и глубин». Следовательно, речь шла о научном, географическом в широком понимании этого слова предприятии, в основе которого лежали, как и полагалось по давней традиции, гидрографические изыскания, и в этом ГЭ СЛО удивительно походила на свою Великую Северную предшественницу.
. И все же то, что было осуществлено в 1910—1915 гг., прямых аналогов в истории не имеет. Впервые была проведена крупномасштабная государственная операция, не рекордная по замыслу, не узковоенная либо торгово-промысловая, а как бы вполне заурядная, будничная экспедиция в Ледовитый океан, целью которой оставались исключительно научные исследования, причем проводимые на уровне начала XX столетия.
«Таймыр» и «Вайгач» плавали в высоких широтах пять лет подряд, возвращаясь во Владивосток в конце каждой навигации (кроме сезона 1914/15 г.). Первые три года во главе экспедиции стоял немолодой и чрезмерно осторожный генерал-майор И. С. Сергеев, который сам о себе говорил с гордостью, не ощущая двусмысленности сказанного: «Где Сергеев прошел, там всякий пройдет!» За эти годы они провели опись берегов Чукотки, уточнили карты нескольких заливов Камчатки, побывали на постоянно блокированном льдами и потому очень труднодоступном острове Врангеля, где выполнили астрономические, геологические и магнитные исследования. Во время одного из плаваний удалось достичь дельты Лены, но дальше на запад Сергеев идти не решился, опасаясь вынужденной зимовки.