По рассмотрению представленных Чичаговым рапортов, журналов и карт, а также записки Эпинуса Адмиралтейств-коллегия постановила экспедицию возобновить по тому же маршруту, «дабы в толь славном и полезном предприятии ничего не оставить, и чрез то испытать оного возможность или по крайней мере о совершенной невозможности быть уверенным». Однако никто не позаботился о том, чтобы придать экспедиции исследовательский характер, и Чичагову было лишь указано, что «слава и польза» сего предприятия ему известны.
19(30) мая 1766 года Чичагов вышел из Колы во второе плавание. Подойти к зимовке на Шпицбергене и на этот раз ему не удалось. Чтобы дать о себе знать, Чичагов приказал палить из всех пушек, но на выстрел никто не явился.
На другой день удалось выяснить, что восемь зимовщиков умерли, а Рындин и четверо матросов (находившихся в момент прибытия корабля на охоте) спаслись только благодаря помощи, оказанной им русскими промышленниками-груманланами.
Дальнейшие попытки Чичагова пробиться на север были безуспешны. Корабли все время подвергались страшной опасности погибнуть от сжатия льдов. Крепкий ветер рвал снасти «с превеликим визгом», трепетали паруса, скрипел парус и мачты, шумели и кипели волны, ударявшиеся в корабль и готовые бросить его на плавучую ледяную гору, незаметно приблизившуюся в тумане. В таких случаях командиру оставалось только «иметь неустрашимость, веселой и отважной вид, дабы подчиненные не пришли в отчаяние». И посылать матросов на шлюпках… оттаскивать льдины баграми.
Достигнув 80°30′ северной широты и убедившись в невозможности пройти дальше на север, Чичагов 10(21) сентября возвратился в Архангельск.
Экспедиция Чичагова оказалась бесплодной и не дала научных результатов. На борт ее не был принят ни один естествоиспытатель. В течение обоих плаваний не производилось никаких гидрологических и метеорологических наблюдений, никаких специальных измерений, на чем так настаивал Ломоносов. Задуманный им план арктической экспедиции был сорван и обеспложен правительством Екатерины II и сановниками из Адмиралтейств-коллегий.
Но зароненные им семена не пропали бесследно. С середины XIX века все чаще и настойчивее стали раздаваться голоса о неотложной необходимости для России разрешить проблему Северного морского пути. Горячими поборниками этой идеи выступили выдающиеся русские географы А. И. Воейков и П. А. Кропоткин, энтузиаст севера сибирский купец М. К. Сидоров, пожертвовавший на полярные экспедиции все свое состояние, наконец адмирал С. О. Макаров и великий русский ученый Д. И. Менделеев. Во всех проектах, статьях, докладных записках оживали и воскресали великие идеи Ломоносова, повторялись его доводы и соображения, оправдывались и подкреплялись новыми данными его замечательные предвидения.