Невельской добивается назначения на Дальний Восток. Ему поручают на транспорте «Байкал» доставить военный груз на Камчатку. Невельской просит у главы морского ведомства князя Меншикова разрешения заодно исследовать Амурский лиман, но тот позволил осмотреть лишь юго-западный берег Охотского моря. Упрямый офицер обращается к генерал-губернатору Муравьёву и в итоге получает добро на исследование Амурского лимана и устья Амура – тихой сапой: «Как на транспорте, так и на гребных судах не должно быть поднимаемо ни военного, ни коммерческого русского флага». Всё это походило на какой-то заговор. Невельской даже собрал в каюте офицеров и сказал: «Господа, на нашу долю выпала столь важная миссия… Всё, что я вам объявляю, должно оставаться между нами и не должно быть оглашаемо».
В 1849 году Невельской установил судоходность амурского устья и Татарского пролива (не залива, как считалось раньше), а также тот факт, что Сахалин – остров. Выяснил он и другое: китайской армии на Амуре нет, вопреки данным Петербурга о китайской флотилии, крепости и гарнизоне в четыре тысячи человек. В Приамурье вообще нет китайцев; лишь несколько нивхских («гиляцких») поселений. «Китайского правительственного влияния в нём (Приамурском крае. – В. А.) не существует и Китай как бы не признаёт его своей принадлежностью и оставляет свободным», – констатировал Невельской. Если пустующее побережье от Амура до Кореи не возьмёт под контроль Россия, его займут англичане, французы или американцы, корабли которых, как теперь ясно, могут войти в Амур. Уже с 1820-х эти места посещались американскими китобоями. Они нападали на поселения, грабили жителей… «Приамурский край… легко может сделаться добычей первого смелого пришельца», – заключил Невельской.
История с географией подталкивали к парадоксальному решению: занять Амур для защиты от Запада. «Правительство должно сосредоточить своё внимание и средства, чтобы… утвердиться на нижнем Амуре. Отсюда следует… заселять пути, ведущие к устью Амура, для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить сообщение Амурского бассейна с Забайкальем, а с другой, иметь возможность довольствовать местным продовольствием размещённые там наши военные силы», – писал Невельской. Нессельроде счёл поступок офицера «дерзким». Однако за Невельского вступился Николай I, простив ему несанкционированный поход на Амур. Невельского повысили в чине и поручили ему новую экспедицию. Он должен был основать на юго-западном побережье Охотского моря зимовье «для расторжки с гиляками», но «ни под каким видом не касаться лимана и реки Амура».