«Витязь» всегда принимал активное участие в международных исследованиях океана. В 1957 г. экспедиции на этом судне внесли важный вклад в изучение Тихого океана по программе Международного геофизического года. Шесть лет, начиная с 1959 г., «Витязь» работал в Индийском океане по программе Международной Индоокеанской экспедиции. В последние годы корабль участвовал в советско-американском эксперименте по изучению океанских вихрей в так называемом Бермудском треугольнике (экспедиция «Полимоде»).
Уже с первых экспедиций «Витязя» в дальневосточные моря уделялось внимание изучению рельефа морского дна с помощью эхолотов-самописцев. И в Японском, и в Охотском, и в западной части Берингова моря обнаружены котловины и разделяющие их возвышенности или подводные хребты. Выйдя на простор Тихого океана, «Витязь» приступил к систематическому изучению всей системы глубоководных океанских желобов западной и юго-западной окраин Тихого океана — желобов Алеутского, Курило-Камчатского, Японского, Филиппинского, Идзу-Бонинского, Марианского, Яп, Палау, Ново-Британского, Бугенвиль, Тонга, Кермадек. Особенно ценные исследования выполнены в районе Курило-Камчатской дуги. В результате работ «Витязя» изменились представления о характере склонов желобов. Ученые детально исследовали поднятия ложа Тихого океана и определили типы этих поднятий — сводовые, глыбовые и краевые валы.
В Индийском океане (в восьми рейсах, начиная с 31-го рейса в 1959 г.) «Витязь» произвел запись рельефа дна протяжением во много тысяч миль и сделал около 20 геомагнитных съемок. Он исследовал единственный в этом океане глубоководный желоб Зондский и разломы ложа Индийского океана — Амирантский, Витязь, Чагос, Ланка, Маврикий и др. Были получены новые данные о срединно-океанском хребте Индийского океана, о строении рифтовых зон. В результате многочисленных рейсов на картах этого наименее изученного из всех океанов появились горные хребты и отдельные подводные горы, например гора Афанасия Никитина. Было открыто идущее вдоль экватора подповерхностное течение, названное течением Тареева (в честь безвременно умершего ученого, работавшего в Институте океанологии).
Геологические исследования в дальневосточных морях стали школой советских морских геологов, в которой отрабатывались приемы геологических исследований на больших глубинах, в условиях качки или льдов, испытывались новые приборы. На основе собранного материала была составлена первая карта донных осадков Охотского моря. Она коренным образом отличалась от карт донных осадков, составленных ранее. Были исследованы также Японское и Берингово моря.