Пока шла разгрузка корабля, положение еще было терпимо, но когда она кончилась, а инструкция все еще не прибыла, Невельской принял решение действовать на собственный страх и риск. Он созвал к себе в каюту помощников и ознакомил их со своими планами. "На нашу долю, -- сказал он, -- выпала... важная миссия, и я надеюсь, что каждый из нас исполнит свой долг перед отечеством... Правда об устьях Амура будет раскрыта". В сознании своего долга он торопит всех и 30 мая, как только были получены с Алеутских островов байдарки, нужные ему для исследований в Амурском лимане, "Байкал" отдал концы и направился на юг.
12 июня Невельской был у восточных берегов Сахалина и, после пятнадцатидневного плавания, 27 июня подошёл к мысу Головачёва на Сахалине, с северо-востока, ограждающего Амурский лиман, и приступил к его описи с корабля и шлюпок.
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--9мвойти 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 7кми с глубинами от 6 до 14м.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 (4,5м),а из Охотского моря -- до 12 футов (3,6м ).
Главная цель была достигнута -- проходимость лимана была доказана; кроме того, попутно было установлено, что, кроме небольших гиляцких деревушек, в устье Амура нет ни китайских военных сил, ни крепостей, ни флота.
Считая свою миссию на первом этапе исследований в низовьях Амура законченной, Невельской 8 августа повернул на север и 3 сентября прибыл в Аян.
Попутно Невельской подробно исследовал и нанес на карту, имевшие до него неправдоподобные очертания, берега юго-западного побережья Охотского моря, где им были открыты залив Счастья и большой и хорошо закрытый от всех ветров залив Николая. Его прибытие произвело большое впечатление на жителей Аяна, так как все считали "Байкал" уже погибшим. Тут он получил, наконец, утвержденную Николаем I инструкцию, а находившийся в это время в Аяне по пути из Камчатки Н. Н. Муравьёв с любопытством выслушал доклад Г. И. Невельского о сделанных открытиях, которые, как показало будущее, сыграли большое значение при определении границ с Китаем.
4 августа с рапортом Невельского и письмом Муравьёва к Меньшикову в С.-Петербург был отправлен курьером штабс-капитан М. С. Корсаков. Муравьёв в своем письме подчеркивал, что все сделанное Невельским было произведено в пределах дозволенного ему времени и без всяких специальных ассигнований, исключительно на суммы, отпущенные для доставки груза из Кронштадта в Петропавловск.
Когда отправленный с М. С. Корсаковым рапорт Невельското дошел С.-Петербурга, он произвел там впечатление грома, раздавшегося среди безоблачного неба. Ни Нессельроде, ни Врангель не хотели верить прочитанному в рапорте и, считая поступок Невельского (исследование в лимане до Получения инструкции) дерзким, требовали его наказания, "чтобы никому не повадно было делать что-либо по собственному попущению". Такова была реакция столичных бюрократов и чиновников в отношении человека, смело и упорно стремившегося к благородной цели -- открыть для Родины новые горизонты, дать ей возможность получить на востоке выход к морю, которого она была лишена. В заседании Особого комитета, несмотря на представленные Невельским подлинные путевые журналы и составленные на их основании карты, Нессельроде заявил, что сообщаемое им не соответствует мнению таких авторитетов, как Лаперуз, Браутон и Крузенштерн, и что поэтому Комитет не может серьезно считаться с его показаниями, что он ошибся и вводит всех в заблуждение. Нессельроде добавил, что сведения Невельского об отсутствии китайских войск и флота ложны, о чём в Министерстве иностранных дел имеются точные сведения от русской миссии в Пекине. За весь этот обман Невельской должен быть примерно наказан и разжалован в матросы.
На возводимые обвинения Невельской отвечал, что он ручается головой за каждое свое слово, за точность и правильность всех наблюдений, что разжаловать его никогда не будет поздно и в распоряжении правительства имеется достаточно средств для проверки его сведений. И если бы предположения Нессельроде даже в малой степени оправдалась, он готов понести любую кару. Благодаря поддержке присутствовавших на заседании Н. Н. Муравьёва и Л. А. Перовского и смелым, решительным объяснениям самого Геннадия Ивановича, Особый комитет, в конце концов, ограничился лишением следовавшей Невельскому по закону награды и, вынес решение, утвержденное 3 февраля 1850 года Николаем I: "основать где-нибудь на юго-западном побережье Охотского моря зимовье для расторжки с гиляками", но "ни под каким видом не касаться лимана и реки Амура". Одновременно было решено для охраны этого зимовья выделить из имевшихся в Охотске людей 25 казаков и матросов. Наблюдение за указанными мероприятиями Комитет возложил на Н. Н. Муравьёва, а исполнение их на месте поручалось произведенному в капитаны 1-го ранга Г. И. Невельскому, прикомандированному для этой цели в распоряжение Н. Н. Муравьёва. Таковы были официальные решения Особого комитета.
Однако сразу же по прибытии в залив Счастья и основания там требуемого инструкцией зимовья Невельской приходит к заключению, что здесь никогда нельзя будет создать надежный порт, и принимает решение отправиться в устье Амура.