Детально изучался химический состав донных осадков, причем кроме обычных анализов на соединения кремния и карбонаты исследовалось распределение таких элементов, как ванадий, вольфрам, молибден, а также распределение сульфидов и свободного H2S. Широко стали применяться дночерпатели и взятие колонок грунта. Были развернуты работы по изучению осадкообразования (А. П. Лисицын, 1956). Разрабатывались методы определения абсолютного возраста осадков иониевым методом и обломочных материалов калий-аргоновым методом. После работ «Витязя» по донным осадкам и процессам их образования дальневосточные моря в этом отношении стали одними из наиболее изученных.
Используя приобретенный опыт, геологи «Витязя» перешли к изучению Тихого океана. Были собраны в ранее трудно доступных районах океана, в частности в глубоководных океанических желобах, высококачественные пробы донных отложений, изучены основные типы глубинных осадков, выяснены закономерности их накопления, составлены современные карты распределения донных отложений. Все это было подытожено в монографии «Осадкообразование в Тихом океане».
Плодотворны были геологические исследования и в Индийском океане. Они ознаменовались крупными открытиями в изучении морфологии дна. Были уточнены границы и рельеф главных подводных хребтов и котловин, открыты неизвестные хребты, валы, горы, вулканы, желоба и долины.
«Витязь» был пионером и наших геофизических исследований в Мировом океане. Впервые испытывались и внедрялись в практику океанологических исследований многие геофизические методы и приборы: гидрофоны, сейсмическая регистрирующая аппаратура, магнитометры, определялась мощность земной коры и осадочных слоев. Геосейсмическое зондирование было проведено на хребтах Аравийском, Индийском, Мальдивском, Зондском и др. Обнаружены новые рифтовые долины.
Гидрологические исследования проводились во всех экспедициях «Витязя», так как океанология — это прежде всего характеристика водной среды, ее физических и динамических свойств. Первый период гидрологических исследований «Витязя» был ограничен изучением дальневосточных морей, их водообмена с Тихим океаном. Эти исследования показали, откуда происходят воды разных районов этих морей, связаны ли они генетически, например в Беринговом море, с субарктической зоной Тихого океана или с мелководной арктической областью.
По программе Международного геофизического года экспедиции в Тихом океане дали богатые результаты, обобщенные в монографии «Гидрология Тихого океана». Все данные по температуре, солености, плотности, течениям, волнам, льдам вошли и в более позднюю монографию «Общая циркуляция вод Тихого океана».