Следуя вдоль кромки льдов, ледокол в нужном пункте врезался в ледяной массив, где устанавливали автоматическую станцию или радиовеху. В этих местах океанологи брали гидрологическую станцию, ледоисследователи с помощью электромагнитного измерителя определяли толщину льда, измеряли модуль упругости ненарушенного ледяного покрова, вырубали из ледяного поля кабан и на борту ледокола выпиливали из него образцы для определения физико-механических свойств, структуры и солености льда.
Регулярно проводились метеорологические и ледовые наблюдения с борта ледокола. Гидрографы непрерывно измеряли глубины судовым эхолотом, а на стоянках — обычным лотом. Всего было сделано 1230 промеров глубины. Наибольшую глубину — 3460 метров — обнаружили в точке 80° северной широты и 130° восточной долготы. Самая северная точка, достигнутая ледоколом во время плавания, — 81°30'. Ледокол вполне мог проникнуть и дальше на север, но такая цель перед экспедицией не ставилась.
Чрезвычайно интересен был обратный путь ледокола. Расставив радиоавтоматы в северной части моря Лаптевых, ледокол двинулся к югу и, установив последние радиовехи на восточной окраине Таймырского ледяного массива, вошел в пролив Вилькицкого. Еще ни одно судно не проходило этим проливом в такое позднее время, поскольку этот пролив даже в период навигации является одним из самых труднопроходимых участков Северного морского пути. А ледокол прошел пролив за 14 часов, легко форсируя молодой и годовалый лед, затем направился к северу вдоль западных берегов Северной Земли и провел там ледовую разведку. Оттуда судно повернуло обратно, к архипелагу Норденшельда, и, пройдя пролив Матисена, подошло к острову Диксон. Здесь путь ему преграждали сжатые и сильно всторошенные молодые льды. На отдельных участках ледоколу приходилось врезаться в них с разбега. От острова Диксон ледокол прошел Карским морем, затем судно проследовало мимо Новой Земли и вошло в Баренцево море. Здесь льдов не было, но на смену им пришел свирепый шторм, затруднявший плавание. Только 22 ноября ледокол достиг Мурманского порта.
Так закончился выдающийся поход атомохода «Ленин», вписавшего еще одну славную страницу в историю исследований Арктики. Почти за два месяца плавания им было пройдено 8153 мили, из них 5669 миль во льдах. Этот поход доказал более широкие возможности судоходства в Северном Ледовитом океане с помощью мощных ледоколов, а также организации дрейфующих станций с судов, установки на льду радиометеорологических станций и радиовех в условиях полярной ночи и проведения обширного комплекса научных наблюдений.