В 1849 Невельской, будучи командиром военно-транспортного корабля “Байкал”, прошел с грузом из Кронштадта вокруг мыса Горн в Петропавловск-Камчатский, исследовал и составил описание о. Сахалина, доказав, что Сахалин — остров, а не полуостров, как ранее считали; исследовал Сахалинский залив, Татарский пролив, низовья Амура и др. районы Дальнего Востока. Ему покровительствовал генерал-губернатор Восточной Сибири Н. Н. Муравьев-Амурский. В 1850 Невельской основал пост Николаевский (ныне г. Николаевск-на-Амуре).