В начале 1850 г. Невельской прибыл в столицу и представил материалы экспедиции к Амуру. Вскоре его снова послали на Восток, в распоряжение Н. И. Муравьева, для дальнейшего исследования реки. Несмотря на явные стратегические выгоды, Особый комитет, опасаясь конфликта с Китаем и Англией, разрешил основать на восточном побережье Охотского моря лишь одно зимовье (Николаевский пост), строго запретив активные шаги в лимане Амура.
Но энергичный Невельской начал действовать на свой страх и риск. Прежде всего он решил убедиться, какие меры принял Китай для обороны реки. К великому изумлению, оказалось, что Китай игнорирует Амур, не имея по берегам его от устья до Хинганского хребта никаких крепостей или военных постов, а тем более, военной флотилии. Выяснилось также, что племена, живущие по Амуру, Сунгари и их притокам, не платят Китаю податей (ясака). Знакомый с историей межгосударственных отношений Китая и России, Невельской изучил Нерчинский трактат 1689 г. и убедился в историческом праве России на Амурский край.
Так, 150 лет Россия, имея права на Амурский край, не использовала их из-за географического и политического невежества своей элиты. Невельской решил объявить принадлежащим России Приамурский край с островом Сахалин, и 1 августа 1850 г. на мысе Куегда в недавно основанном Николаевском посту русские моряки подняли андреевский флаг.
Однако решительные действия Невельского вызвали недовольство чиновников. И на этот раз Особый комитет счел его поступок дерзостью, достойной разжалования в матросы, о чем и доложил императору. Но, получив от Н. И. Муравьева донесение, Николай I назвал поступок Невельского «молодецким, благородным и патриотическим», наградил его орденом Владимира 4-й степени и на докладе Особого комитета положил свою легендарную резолюцию: «Где раз поднят русский флаг, там он спускаться не должен».
Для исследования края и охраны Амура в Николаевском и Петровском посту разместилась Амурская экспедиция капитана 1-го ранга Невельского (несколько морских офицеров и 60 матросов).
Прибыв в 1852 г. к месту назначения, Невельской начал исследование края. Почти за 4 года экспедиция (лейтенанты Бошняк, Куприянов, мичманы Чихачев, Разградский, Петров, прапорщик корпуса штурманов Воронин, доктор Орлов, топографы Штегер и Попов, и приказчик Российско-Американской компании Березин) провела опись берегов, составила ряд карт и собрала материалы для будущих дипломатических переговоров с Китаем. Терпя лишения от недостатка провизии, топлива, перевозочных и других средств, подвергаясь опасности среди диких племен, моряки, почти отрезанные от культурного мира, провели колоссальную работу национального значения. Благодаря этому Россия приобрела богатый край, положив начало своего развития на берегах Тихого океана. Неся огромную ответственность перед Родиной, моряки несколько раз сознательно превышали данные им полномочия и, побуждаемые патриотизмом, на своих плечах вынесли всю тяжесть этой славной работы.