К подготовке сплава приступили по распоряжению Муравьёва ещё в конце 1853 года. 19 апреля 1854-го генерал-губернатор выехал из Иркутска и 7 мая достиг Шилки, по которой спустился к Шилкинскому заводу, где нашёл недавно выстроенный пароход "Аргунь" и барки с плотами для сводного батальона из 800 солдат, вооружённых преимущественно штуцерами, сотни казаков и дивизиона горной артиллерии. Начальство над отрядом было поручено майору М.С. Корсакову. Утром 8 мая, после молебна, караван тронулся в путь. Вёл его сотник А.Г. Скобельцын, единственный изо всего отряда бывавший в низовьях Амура. 18 мая миновали Усть-Стрелку - последнее русское поселение, расположенное при слиянии Шилки с Амуром. 28 остановились, выбрав место у впадения Зеи, верстах в 20 выше Айгуня, куда Муравьёв сразу послал чиновников Свербеева и Сычевского. Они должны были выяснить, доставлено ли из Пекина разрешение на сплав. Однако ответ оказался неутешительным. Тем не менее, на следующий день Муравьёв приказал отряду продолжать плавание, сам же пересел на "Аргунь" и отправился вперёд, на встречу с хэйлунцзянским цзянцзюнем (генерал-губернатором) И Шанем, предупредив Корсакова, чтобы тот был готов по первому сигналу атаковать город.
Переговоры шли до вечера. Убоявшись множества подходивших российских судов, И Шань, не имевший определённых указаний правительства, позволил им двигаться дальше. 3 июня, по ошибке проводника, караван свернул в Уссури и поднялся по ней вёрст на 40. Обнаружив ошибку, повернули обратно, и на выходе из реки в Амур Муравьёв присмотрел место для будущего поселения. Спустя неделю, 10 июня, с судов каравана заметили парус гиляцкой байдарки, в которой прибыл посланный Невельским навстречу отряду мичман Г.Д. Разградский. Он и повёл сплав дальше. 14-го числа на берегу показались избы Мариинского поста, где Муравьёва ждал Невельской, незадолго перед тем получивший от Путятина известие о начале войны с европейской коалицией. Там экспедиция разделилась. Третья рота - 200 человек под командованием подпоручика Н.А. Глена, была послана сделать просеку и проложить дорогу к Де-Кастри, остальные же двинулись в Николаевск. Оставив для защиты поста ещё одну роту, две других погрузили на транспорт "Двина" и отправили в Петропавловск, так как Муравьёв, в 1849 году сделавший этот порт главной базой российского флота на Тихом океане, не оставлял надежды сохранить за ним и впредь данное значение. Подкрепление высадилось в Петропавловске за две недели до появления в Авачинской бухте англо-французской эскадры.
Ожидая появления неприятеля, Муравьёв предложил было Путятину ввести "Палладу" в Амур, но 9 августа сам нарушил прежний план, поспешив на шхуне "Восток" в Аян, чтобы успеть до ледостава вернуться в Иркутск, а затем отослав сё в Петропавловск. Ввести же сидевший на 22 фута (6,7 м) фрегат через амурский бар, буксируя его одними шлюпками, не удалось даже после полного разоружения. Путятину пришлось отправить "Палладу" на буксире подошедшей 18 июля к мысу Лазарева "Дианы" в Императорскую гавань, где она и осталась на попечении боцмана Синицына с десятью матросами. Основная часть команды "Паллады" была переведена на "Диану", матросы которой проявили бунтарский дух и едва не выбросили за борт своего командира, капитан-лейтенанта С.С. Лесовского. Последние же пополнили гарнизон Николаевска, усиленно занимавшийся в те дни строительными работами. Распоряжением Невельского, 25 августа произведённого в контр-адмиралы, возводились две большие казармы с походной церковью и лазаретом, четыре офицерских флигеля, здание канцелярии с гауптвахтой, несколько складов, кузница, мастерская и другие сооружения. 22 октября начальник Амурской экспедиции заложил батарею на мысе Куегда. К концу 1854 года николаевский гарнизон насчитывал 820, петровский - 80, а мариинский - 150 человек.
Однако до весны неприятель на подходах к Амуру не показывался. Англо-французская эскадра из двух фрегатов, трёх корветов, брига и парохода, под командованием адмиралов Прайса и Феврие де Пуанта действовала у берегов Камчатки. Впервые она была замечена 17 августа 1854 года, а на следующий день уже вошла в Авачинскую бухту. Ей противостояли фрегат "Аврора", под командованием капитан-лейтенанта И.Н. Изыльметьева, транспорт "Двина", под командованием капитана 2 ранга А.А. Васильева, моряки 47-го Камчатского экипажа и солдаты сводного батальона. Всего, вместе с волонтёрами, до 900 человек при 42 офицерах. Устроив шесть береговых батарей, гарнизон, руководимый командиром порта, контр-адмиралом B.C. Завойко, сумел хорошо подготовиться к обороне и выстоять как при бомбардировке 20 августа, так и при высадке десанта 24-го. Потеряв всего 31 человека убитыми и 65 ранеными, защитники Петропавловска вывели из строя до 350 нападавших. Погиб и адмирал Прайс. Спустя три дня союзники покинули Камчатку.
Поражение соединённой эскадры произвело в Европе неприятное впечатление и немедленно породило призывы к реваншу. Сознавая, что Петропавловск не выдержит нового удара, великий князь Константин Николаевич 3 декабря 1854 года послал Муравьёву записку, в которой указывал на целесообразность сосредоточения всех сил в важнейшем пункте - устье Амура. Эта мысль вскоре получила одобрение Николая I. Тогда же посетила она и самого Муравьёва, 30 декабря отправившего к Завойко есаула Мартынова с предписанием оставить порт. Преодолев за два месяца 8000 вёрст по бездорожью, есаул 3 марта 1855 года вручил предписание командиру порта. На следующий же день началось разоружение укреплений. Всё имущество грузили на стоявшие в бухте "Аврору", "Оливуцу", "Двину", "Иртыш", "Байкал" и два бота. Завершив погрузку 2 апреля, петропавловцы прорубили во льду канал и 6-го вышли в море. Спустя двадцать дней отряд вошёл в Императорскую гавань, но не задержался там, а при первом известии о приближении 8 судов английской эскадры коммодора Фридрикса перебрался 5 мая в Де-Кастри.
8 мая три неприятельских судна появились в заливе, причём одно из них, винтовой корвет под английским флагом, зашло за остров Обсерватория и открыло огонь по "Оливуце", с которой сразу ответили. После короткого и безрезультатного обмена выстрелами противник удалился. Расценив этот бой как рекогносцировку, российские моряки стали готовиться к встрече более крупных сил. Однако 13 мая в Де-Кастри приехал Невельской и настоял на немедленном переводе кораблей в устье Амура, уже очистившееся ото льда. Едва отряд успел покинуть залив, как в него 23 мая вошла эскадра коммодора лорда Эллиота. Обыскав все бухты и, никого не обнаружив, англичане, вполне доверявшие Лаперузу с Броутоном, сочли, что русские ухитрились выскользнуть на юг, и бросились вдогонку. По пути они перехватили часть экипажа погибшей в Японии "Дианы", добиравшуюся до устья Амура на японской торговой шхуне. Остальная команда фрегата, во главе с Путятиным, на втором "купце" и шхуне "Хеда" побывала в Петропавловске, но, убедившись, что он сожжён дотла, повернула к Татарскому проливу, проскочив туда под носом у неприятеля. До осени англо-французское соединение успело разорить Аянский порт и перебить почти всю команду брига Российско-американской компании "Охотск", спасавшуюся на шлюпках после того, как шкипер Юзелиус, не желавший сдавать своё судно врагу, взорвал его.
Путятин, 26 января 1855 года подписавший в Симоде договор, устанавливавший дипломатические отношения с Японией и открывавший для российских мореплавателей порты Симода, Хакодате и Нагасаки, исполнил возложенное на него поручение, и в конце лета, когда вероятность нападения противника снизилась, отправился в Петербург. Однако паровой катер "Надежда", на котором он поднимался по Амуру, с трудом выгребал против течения, и адмирал не успел до ледостава дойти до Усть-Стрелки 300 вёрст. Пеший переход через Забайкалье в Иркутск оказался крайне трудным, и тягостные впечатления породили у Путятина стойкое неприятие любых планов освоения Приамурского края, усиливавшееся воспоминаниями о вынужденном подчинении Муравьёву. Впоследствии это нерасположение сыграло свою роль.
С января 1855 года на Шилкинском заводе стали собираться войска, назначенные для второго сплава: две роты 14-го, 15-й линейный батальон и сводный казачий полубатальон забайкальцев. Весной комендантом завода назначили мичмана A.M. Линдена, распоряжавшегося постройкой барж. После вскрытия рек, в ночь на 29 апреля, тронулся в путь первый эшелон сплава, руководимый самим Муравьёвым. За ним двинулись второй и третий, всего 125 судов, вместивших не только около 3000 военнослужащих, но также научную экспедицию Р.К. Маака и первых крестьян-поселенцев. 31 мая устья Амура достигли головные суда, а 1 июля сплав завершился. К тому времени в низовьях реки и на берегу Татарского пролива сосредоточилось до 7000 человек. Пользуясь предоставленными ему правами, Муравьёв объявил себя главнокомандующим всеми сухопутными и морскими силами и предписал упразднить Амурскую экспедицию, подчинив её личный состав камчатскому военному губернатору - Завойко. Боевые корабли поступили под начальство капитана 1 ранга Изыльметьева, а войска были подчинены полковнику Корсакову. Излишне же самостоятельного Невельского генерал-губернатор фактически отстранил от живого дела, назначив начальником своего штаба.
Параллельно с усилением обороны края началось и его освоение. Прибывшие со сплавом крестьяне, 481 человек обоего пола, расселились между Мариинским и Николаевским постами, основав деревни: Иркутскую, Богородскую, Михайловскую, Новомихайловскую, Сергиевскую. 12 июня 1855 года правительство, по предложению Муравьёва, приняло решение о переселении на Амур казаков, фактически уже исполнявшееся инициатором. Часть 6-й сотни формирующегося Амурского казачьего полка была поселена близ Мариинска и назвала свою станицу - Сучи. Однако всем им требовалось время для того, чтобы освоиться на новом месте и наладить там земледелие, приспосабливаясь к своеобразному климату и незнакомой почве. Поэтому поселенцы нуждались в снабжении не менее чем войска. Властям пришлось обратиться к американцам, согласившимся доставить продовольствие, не взирая на военные обстоятельства. 9 сентября в Де-Кастри прибыло торговое судно "Бостон".
Припасы подоспели вовремя, так как 8 октября в залив вошёл английский фрегат "Сибилла", под флагом коммодора Эллиота, и два винтовых корвета. Они застали там только американское судно "Беринг". Корабли российского отряда за исключением "Паллады" ещё летом были введены в Амур. На оборонявшем Де-Кастри Александровском посту находился есаул Пузино с сотней казаков и двумя горными орудиями. Чтобы не попасть под огонь английской артиллерии, они отступили к опушке леса и уже оттуда встретили высаженный Эллиотом десант, численностью 400 человек. Занимая выгодную позицию, казаки отразили нападение, уложив на месте 25 десантников и обратив в бегство остальных. Эллиот отступил, но Завойко, предполагавший, что имеет дело с авангардом эскадры адмирала Стерлинга, усилил Александровский пост четырьмя сотнями казаков и приказал устроить береговые батареи. Последние, впрочем, не были окончены, так как Эллиот, предпринявший 19 октября вторую высадку и вновь отбитый, окончательно ретировался из Де-Кастри.
Весной 1856 года до Амура дошла весть о подписании Парижского мирного трактата. Отпала необходимость в присутствии на Дальнем Востоке значительного военного контингента, содержание которого обходилось весьма дорого, ибо припасы приходилось доставлять из Забайкалья и даже из европейских губерний России. С началом навигации был проведён третий сплав, с которым прибыли 1636 солдат при 24 офицерах. Но прежние войска, пережившие цингу и тиф, нуждались в смене. По приказанию Муравьёва все они, кроме 15-го линейного батальона, сотни казаков и горной батареи, стали собираться в обратный путь. Нераспорядительность начальства, разбросанность подразделений по обширной территории, бездорожье привели к тому, что солдаты вышли поздно и не попали в Усть-Стрелку до начала зимы. Несколько сот вёрст им пришлось в мороз и пургу идти вдоль берега. Ослабленные голодом и болезнями люди умирали десятками. Всего за эти дни линейцы потеряли 183 человека - больше, чем и боях с англичанами.
Тем не менее, устье Амура было закреплено за Россией. На левом берегу реки, ниже Усть-Стрелки, появились посты: Кутомандский, Кумарский, Усть-Зейский, Хинганский и Сунгарийский, с гарнизонами по 10-50 человек. В конце октября 1856 года была образована Приморская область с центром в Николаевске, "Положение об управлении" которой получило высочайшее утверждение 31-го числа, её губернатором стал контр-адмирал П.В. Козакевич. Накануне, 27-го, Николай I утвердил журнал Амурского комитета о заселении всего левого берега казаками конного полка и предложение об образовании "Амурской линии". Эта задача облегчалась улучшением водных сообщений с приходом из Америки заказанных там железных пароходов "Амур", с машиной мощностью 66 л.с., и 35-сильной "Лены". В 1857 году в низовья реки сплавились до 2400 человек войск, 100 поселенцев и 62 ссыльнокаторжных женщины. Из Забайкалья были переселены три сотни казаков, образовавших 11 станиц. В устье Зеи обосновался 14-й линейный батальон, гарнизонный городок которого вскоре получил имя Благовещенск.
Однако все эти шаги, принимавшиеся по распоряжению Муравьёва, далеко опережали намерения правительства. Ещё в 1853 году, когда генерал-губернатор настаивал на приобретении всего левого берега Амура, Министерство иностранных дел отправило 16 июня в Пекин ноту с просьбой приступить к разграничению только района верховьев реки Горбины. Представленная Муравьёвым в январе 1854 года записка, обосновывавшая необходимость передачи ему права вступать в переговоры с цинским правительством, получила одобрение. Соответствующее уведомление было послано в Китай 6 февраля. Но вместе с тем генерал-губернатору Восточной Сибири рекомендовали выждать развития событий. Даже после того, как идею о целесообразности обладания левым берегом Амура поддержал великий князь Константин Николаевич, Нессельроде и Сенявин уклонялись от официальных сношений с Китаем но данному вопросу. Лишь высочайшее повеление утвердиться на левом берегу вплоть до океана развязало Муравьёву руки. Встретив во время сплава 1855 года лодки с цинскими уполномоченными, направлявшимися к верховьям Горбицы, он пригласил их в Мариинск, где попытался договориться о разграничении по всему течению Амура, но безуспешно.
Обращение Муравьёва к военному министру, князю В.А. Долгорукову, с просьбой ходатайствовать перед верховной властью о разрешении на заселение левого берега забайкальскими казаками, поначалу не дало результата. Долгоруков, будучи единомышленником своего предшественника Чернышёва и Нессельроде, противился предлагаемой мере, ссылаясь на возможные недоразумения с Китаем, о чём говорил и Николаю I. Император же предоставил решение Амурскому комитету, который, несмотря на старания председательствовавшего в нём Константина Николаевича, высказался в пользу того, чтобы отложить вопрос. Осторожность монарха, получавшего противоречивую информацию от противоборствовавших чиновничьих и придворных группировок, была вполне естественной. Однако даже после смерти Николая I, когда на престол взошёл Александр II и в начале 1856 года графа Нессельроде сменил князь A.M. Горчаков, считавшийся представителем "русской партии", князя Долгорукова сменил генерал Н.О. Сухозанет, а Сенявина - генерал-майор Е.П. Ковалевский, отношение правительства к амурскому делу оставалось прежним. И хотя Муравьёву подтвердили полномочия на переговоры с Китаем, вперёд выдвинули адмирала Путятина, возведённого в графское достоинство и направленного в Пекин с чрезвычайной миссией.
К счастью, нескрываемая антипатия адмирала к планам Муравьёва уже не имела существенного значения. Высочайше утверждённая 19 февраля 1857 года инструкция предписывала послу договориться о закреплении за Россией левого берега Амура и морского побережья к югу от него. Вдобавок китайцы настроили Путятина против себя, запретив ему въезд в страну сперва через Кяхту, а затем и через Айгун. Стремление цинской верхушки избежать контактов с российским правительством объяснялось тем затруднительным положением, в которое попал Китай с началом Второй опиумной войны. Её инициаторы, англичане, не удовлетворившись уступками Пекина по Нанкинскому договору, искали только повода для нападения, и нашли его в захвате китайцами небольшого речного судна под британским флагом и в появлении у Кантона двух флотилий вооружённых джонок. В середине мая 1857 года суда эскадры адмирала М. Сеймура открыли военные действия и, уничтожив к 1 июня обе флотилии, приступили к блокаде Кантона. Спустя семь месяцев, 28 декабря началась бомбардировка города, а через два дня он был захвачен англо-французскими войсками.
Несомненно, реакция Пекина отчасти была спровоцирована и Муравьёвым, с весны 1857 года приступившим к сосредоточению на границах Китая регулярных войск и казаков. Летом у берегов Аргуни и Амура стояли 13-, 14-, 15- и 16-й линейные и двенадцать пеших казачьих батальонов, шесть конных полков Забайкальского войска, всего около 16.000 человек пехоты и 5000 кавалерии при 8 батарейных, 24 лёгких и 8 горных орудиях. Правда, генерал-губернатор не собирался пускать их в дело, но китайцы, стянувшие почти все свои вооружённые силы к юго-восточному побережью и столице, опасались, что русские предъявят им неприемлемые требования, избежать которых можно было, уклонившись от дипломатического контакта. И действительно, Муравьёв считал, что речь на переговорах должна идти не об уступке Китаем России земель на левом берегу Амура, фактически уже занятых, а о признании этого факта и окончательном разграничении. Своё мнение он письменно высказал Путятину. Адмирал же, раздражённый уловками китайцев, больше думал о том, как заставить Трибунал внешних сношений отказаться от тактики проволочек. Спустившись в Николаевск, Путятин сел на купленный в Соединённых Штатах пароход "Америка" и под конвоем тендера "Камчадал" ушёл в Печилийский залив, где перебрался на один из кораблей отряда капитана 1 ранга Д.И. Кузнецова, отправленного в Тихий океан по окончании Крымской войны. Остановившись в устье реки Пейхо, чрезвычайный посол 24 июля отправил в Пекин требование принять его, но ответа не получил.