Лабиринт мелей, быстро сменявшиеся направления течений и встречные южные ветры, с которыми маленькому суденышку трудно было бороться, особенно при незнакомстве с фарватером, заставили Невельского отказаться от мысли исследовать всю огромную площадь Амурского лимана и ограничиться рекогносцировкой. Считая, что наиболее глубокие места, лишенные мелей, должны находиться под защитой берегов, Невельской послал к западному берегу шлюпку, за которой последовал сам на "Байкале" параллельно мели, действительно преграждавшей путь дальше на юг в лиман. Под материковым берегом, против, мыса Ромберга, "Байкал" встретил, наконец, глубины, которые позволили ему обогнуть отмель и при глубине 8--9 м войти в лиман, где корабль и был поставлен на якорь. Отсюда Невельским были отправлены две шлюпки для изучения сахалинского берега и одна в устье Амура под командованием П. В. Козакевича, который, дойдя до мыса Тебах, обнаружил к западу от него бухту, из которой шло сильное течение. Это было устье Амура.
10 июля Невельской на трех шлюпках сам отправился в плавание, создавшее ему славу и признательность поколений. 11 июля он обогнул мыс Тебах и вступил в Амур. Дойдя до мыса Куегда на левом берегу Амура, он повернул к правому берегу и, следуя под ним вниз по течению снова вышел в лиман. Придерживаясь материкового берега, Невельской 22 июля (3 августа) достиг наконец самого узкого места в Татарском проливе.
Здесь, между мысами Лазарева и Муравьева на материке и низменным мысом Погоби на Сахалине, вместо установленного Лаперузом-Браутоном, Крузенштерном и Гавриловым перешейка, Невельской открыл названный впоследствии его именем пролив шириной в 7 км и с глубинами от 6 до 14 м. Двигаясь этим проливом дальше на юг, Невельской 24 июля достиг тех мест, до которых с юга доходили Лаперуз и Браутон. Сомнений больше не было: Сахалин оказался островом.
Невельской подтвердил поколебленную было силой авторитетов трёх знаменитых путешественников истину, установленную задолго до них первыми русскими исследователями и картографами, которые в основном правильно описали и нанесли на карту берега этой части Тихого океана. Легенда, созданная Лаперузом, бесславно окончила свои дни. Невельской повернул на север и 1 августа прибыл на "Байкал". Практические результаты достигнутого были огромны. Им были доказаны:
1. Существование морского пролива между Сахалином и материком и
2. Существование фарватеров вдоль материкового и Сахалинского берегов, доступных для судов с осадкой в 15 футов (4,5