1640–1642 гг. вместе с М. В. Стадухиным и другими участвовал в походах на север Сибири с целью открытия новых земель и поиска лежбищ морских животных, был на Оймяконском плоскогорье (Якутия), проплыл по р. Яне, а затем р. Индигирке до устья, вдоль берегов дошел до р. Алазеи, а затем морем достиг р. Колымы, где в 1643 г. основал Нижнеколымский острог.
В 1647 г. из Нижнеколымска на восток отправилась экспедиция под руководством приказчика Ф. Попова (Алексеева), к к-рой Дежнёв примкнул в качестве сборщика ясака. Однако летом 1647 г. плавание оказалось неудачным из-за мощных льдов, загромоздивших устье р. Колымы. Экспедиция отправилась вновь в июне 1648 г. на 7 кочах. В пути 2 коча погибли, 2 потерялись, а 3 коча обогнули Чукотский п-ов с севера, достигли пролива между Азией и Америкой и прошли по нему впервые, фактически открыв его (ныне Берингов прол.). Однако открытие пролива долгое время оставалось неизвестным (материалы об этом открытии хранились в Якутском остроге), и В. Беринг открыл пролив вторично.
В районе пролива еще один коч разбился о скалы, а 2 оставшихся коча пересекли Анадырский залив и обогнули Олюторский п-ов. В начале октября коч Дежнёва был выброшен штормом на берег южнее устья р. Анадырь, а коч Попова спустился на юг и достиг Камчатки. Дежнёв с экипажем добрался по суше до Анадыри, где в 1649 г. основал Анадырский острог. Обследовав бассейн реки, Дежнёв составил ее план, затем исследовал часть бассейна р. Анюй, открыл богатое лежбище моржей в Анадырском заливе и организовал их промысел.
В своих челобитных Дежнёв подробно описал Чукотский п-ов, природу и население Анадырского края. В 1665 г. получил чин казачьего атамана. Именем Дежнёва названы мыс на крайней северо-востоке оконечности Азии, бухта на западном побережье Берингова моря, хребет на Чукотском п-ове, поселок на Амуре. Географическое об-во СССР за выдающиеся открытия присуждает премию им. Дежнёва.