Летом 1729 года было решено совершить ещё одну попытку всё-таки найти американский континент. Путешественники отправились на восток, так как, по словам жителей Камчатки, в том направлении в ясные дни виднелась «чрез море» земля. Вероятно, речь шла об острове, который позже назовут островом Беринга. Выйдя в море 5 июня, «Святой Гавриил» отправился строго на восток и с большим трудом прошёл около 300 километров. Кораблю мешали сильные северные ветра. Никакой земли обнаружить не удалось. Обзору мешал «великий туман», который опустился на море. Затем начался сильный шторм, и Беринг решил вернуться сразу в Охотск. На обратном пути впервые в истории Камчатку обогнули с юга и установили её точные размеры. 23 июня 1729 года «Святой Гавриил» благополучно зашел в Охотск, а через неделю путешественники отправились в Якутск на лошадях. Первая камчатская экспедиция вернулась в Петербург 1 марта 1730 года, через 5 лет после её начала.
Группа учёных во главе с Берингом внесла огромный вклад в развитие российской науки. По пути следования они определили точные географические координаты 28 пунктов от Тобольска до Чукотского моря. Карта, составленная по итогам экспедиции, дала реальное представление о размерах России, включая Камчатку. Однако были люди, утверждавшие, будто Беринг не смог доказать, что Азия не соединяется с Америкой. Поэтому по возвращении в Петербург Беринг не только составил подробный отчёт о своём путешествии, но и начал разрабатывать проект Второй камчатской экспедиции. Этот проект со временем разросся в грандиозное научное событие, получившее название Великая Северная экспедиция. Перед ней были поставлены глобальные задачи: подробно исследовать русский Север и Дальний Восток, вплоть до Аляски, а также Курильские и Японские острова. Исследователей особенно интересовал морской путь из Архангельска к Тихому океану.
Проект Беринга был утверждён, 17 апреля 1732 года царица Анна Иоанновна подписала указ об экспедиции. Руководителем проекта был назначен Беринг, которому присвоили звание капитана-командора. В обязанности этого военного чина входило командование отрядами кораблей. В экспедиции было задействовано более 500 учёных, морских офицеров и матросов, которые в начале 1733 года отправились в путь.
Экспедиция состояла из нескольких отрядов, каждый из которых возглавлял опытный офицер. Перед отрядами стояла задача изучить и провести точное картографирование закреплённого за ними участка. Первый отряд изучал северное побережье России – от устья реки Печоры до устья Оби. Второй отряд двигался на восток – от устья Оби до устья Енисея. Восточно-Енисейский отряд описывал северное побережье – от устья Енисея, вдоль полуострова Таймыр до реки Хатанги. Западно-ленский отряд двигался от устья реки Лены на запад, к Таймыру и Енисею. Восточно-ленский отряд должен был добраться морем от устья Лены до Камчатки и провести тщательное изучение самой дальней, северо-восточной оконечности Евразии. Южный отряд под руководством Мартына Шпанберга должен был найти морской путь от Камчатки в Японию. Так называемый Академический отряд, в который входили известные российские учёные того времени, проводил географические, этнографические, геологические и метеорологические исследования материковой Сибири и Дальнего Востока. Сам Беринг возглавлял отряд, которому было поручено найти морской путь в Америку, а также руководил остальными отрядами.
Северная экспедиция стала грандиозным научным и организационным предприятием. Все отряды практически полностью справились со своими задачами. Меньше всего повезло Восточно-Ленскому отряду, который должен был проплыть от устья реки Лены до Камчатки. Непроходимые льды затруднили путь кораблей, отряд смог добраться только до устья реки Колымы. Тогда они изменили маршрут и изучили русло реки Анадырь вплоть до Берингова моря.
Беринг вместе со своей женой в 1734 году приехал в Якутск, где руководил постройкой пяти судов для плавания по Тихому океану, а также работой остальных отрядов Северной экспедиции, в чём показал выдающиеся организаторские способности. В 1740 году в Охотске были построены два пакетбота – двухмачтовых парусных судна длиной около 30 метров с 14 пушками на борту. Их назвали «Святой Пётр» и «Святой Павел». На них Беринг и Алексей Чириков 8 сентября 1740 года отправились на восточное побережье Камчатки, где заложили новый город в Авачинской бухте. Город решили назвать в честь кораблей – Петропавловском.