Пятнадцатого июля Невельской, взяв с собою 15 человек матросов и казаков и Дмитрия Ивановича Орлова, на транспорте "Байкал" отправился к Сахалину, обходя его с востока. К 30 июля судно достигло мыса Анива, на южной оконечности острова.
На всем пространстве побережья не нашлось сколько-нибудь удобного для стоянки судов залива. 6 августа Невельской основал пост Константиновский в Императорской гавани. Он оставил там 9 человек казаков, приказав начать заготовку леса и постройку помещения на зиму, и выделил им запас в 350 пудов муки и крупы. Эта предусмотрительность, как видно будет из дальнейшего, спасла много человеческих жизней.
Из Императорской гавани транспорт пошел в Де-Кастри, откуда Невельской должен был отправиться через Кази в Николаевск и в Петровское. Орлову поручалось основать пост на Сахалине в бухте около 50° северной широты и назвать его Ильинским, а затем пройти вдоль западного берега острова к югу и подыскать бухту, пригодную для зимовки судов.
Предполагалось, что к 15 сентября Орлов достигнет мыса Крильон и там будет ожидать Невельского, а 20 сентября двинется дальше, к селению Тамари-Анива, которое к тому времени будет занято десантом. Командиру "Байкала" приказывалось после высадки Орлова крейсировать в Татарском проливе до начала сентября и ждать американскую эскадру, а после 5 сентября стараться возвратиться в Петровское, усилив Александровский пост в Де-Кастри четырьмя человеками. Сам Геннадий Иванович с казаком и гиляком отправился пешком на озеро Кизи, а оттуда в селение Котово-Кизи на Амуре (Мариинский пост). Здесь мичман Петров и 6 человек казаков строили зимние помещения. К середине августа Невельской перебрался в Петровское.
Главная цель, поставленная на 1853 год, была достигнута. Императорская гавань и западный берег Сахалина заняты, в проливе крейсирует русский транспорт "Байкал". Покушение иностранных держав на эти территории предупреждено. Оставалось занять главный пункт Сахалина - Тамари-Анива - и исследовать прибрежье Татарского пролива до корейской границы. В случае наличия там удобных бухт и заливов - поставить военные посты
Кроме того, для решения пограничного вопроса Невельской считал необходимым основать посты в нескольких пунктах по Амуру и Уссури, в устье реки Сунгари и "Амурских щеках" - месте, где Малый Хинган пересекает реку Амур. На основании сделанных открытий и существующих трактатов он считал, что с этого пункта граница наша с Китаем должна идти к югу по вершинам хребта до Кореи и далее до моря вдоль корейской границы. В Петровском Геннадий Иванович нашел корабль Российско-Американской компании, доставивший различные запасы для экспедиции, паровой катер, десятивесельную шлюпку, а также депешу от главного правления и от Кашеварова.