Однако бескорыстие Лангсдорфа и его необыкновенная преданность науке произвели на обоих руководителей экспедиции неизгладимое впечатление. «Сильная страсть его к наукам, убедительная, без всяких требований просьба и, наконец, рекомендация нашей академии, которой он корреспондентом», явились, по мнению Резанова, достаточными основаниями для того, чтобы принять ученого натуралистом на «Надежду». «Ревность сего ученого» и его настойчивое желание «победить невозможности» отмечал и Крузенштерн. Так, уже в день своего приезда Лангсдорф стал участником экспедиции. «Радость и благодарность Лангсдорфа нелегко описать, — писал Крузенштерн. — Он заявил о своей готовности по возвращении возместить то золото, которое он потратит, из своих средств, если император ничего не сделает для него». А пока нового натуралиста «Надежды» согласились субсидировать Крузенштерн и Резанов.
Благодаря участию в этой экспедиции Лангсдорф сумел объездить полсвета — он побывал на Канарских и Маркизских островах, в Бразилии и Японии, на Камчатке и Аляске, в Калифорнии, а также проехал сухим путем от Охотска до Петербурга. По записям, сделанным исследователем, можно судить, сколь широк был круг вопросов, которыми он занимался во время путешествия. Зоологические, минералогические, ботанические наблюдения соседствуют с материалами по лингвистике и страноведению.
Приводятся уникальные для того времени сведения об атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха, температуре и уровне солености океана. Впрочем, ничуть не меньше различных природных явлений его интересовали также уклад жизни местного населения, особенности одежды, питания, ремесел, земледелия, скотоводства, способов охоты, рыбной ловли, а также всевозможные сведения о судоходстве, торговле и промыслах. И везде ученый неутомимо пополнял собираемые им коллекции насекомых, растений, животных и рыб.
В дневниковых записях его товарищей по путешествию Лангсдорф предстает то как хирург, оперирующий больных, то как естествоиспытатель, практически лишивший себя сна, для того, чтобы в течение трех месяцев ежечасно записывать показания метеорологических приборов, то как погонщик собачьей упряжки, на которой он ездил по Камчатке, то как этнограф, тщательно зарисовывающий татуировки жителей Маркизских островов.
По возвращении в Петербург Лангсдорф, назначенный к тому времени адъюнктом Российской Академии наук, в течение нескольких лет обрабатывал собранные им во время экспедиции материалы, а также опубликовал несколько работ, в числе которых и ставший классическим труд под названием «Замечания о путешествии вокруг света в 1803—1807 гг.», принесший ученому не только мировую известность и всеобщее признание, но и звание академика Петербургской Академии наук.
Богатейшие энтомологические, герпетологические, ихтиологические, орнитологические сборы, множество чучел млекопитающих, более 1 000 живых растений, гербарий, насчитывающий почти 100 000 экземпляров (один из самых полных в мире по тропической флоре), образцы минералов, около 100 этнографических предметов, несколько сот рисунков, десятки карт и планов, более 2 000 листов рукописей — таков итог этого путешествия.
А в 1812 году Лангсдорф был назначен генеральным консулом России в Рио-де-Жанейро. Эта миссия предоставляла ему уникальные возможности, поскольку он намеревался совмещать свои консульские обязанности с научными исследованиями Бразилии, тогда еще только открывавшейся перед европейскими учеными. За весь период своего пребывания там он поддерживал постоянную связь с Петербургской Академией наук, сообщая различные сведения об этой стране, о населяющих ее племенах и высылая естественнонаучные коллекции. Помимо Петербургской Академии наук собрания Лангсдорфа получали также в дар музеи Гамбурга, Парижа и Лондона.
Поместье Лангсдорфа — Мандиока стало своеобразным культурным центром Рио-де-Жанейро. Двери этого дома были всегда открыты для представителей местной интеллигенции, деятелей искусства, европейских путешественников. Здесь ученый неоднократно принимал участников русских морских экспедиций – В.М. Головнина, Ф.Ф. Беллинсгаузена, Ал.П. Лазарева, Ф.Ф. Матюшкина. «Если мы когда-нибудь забудем ласку и приветливость их, — писал о семье генерального консула Ф.П. Литке, — то пусть забудут нас друзья наши; пусть нигде не найдем мы другого Лангсдорфа».
Получив отпуск для поездки в Европу, Лангсдорф в 1821 году прибыл в Петербург и во время аудиенции у императора Александра I изложил ему план организации большой русской экспедиции в Бразилию. Целью путешествия должны были стать «ученые открытия, географические, статистические и другие исследования, изучение неизвестных доселе в торговле продуктов, коллекций предметов из всех царств природы». На что и было получено высочайшее одобрение. Окрыленный этой поддержкой, Лангсдорф отбыл в Германию и осенью прибыл во Фридберг, где к нему присоединился один из участников будущей экспедиции, 18-летний Жан-Морис-Эдуард Менетрие. В Бремене, куда отправились Лангсдорф и Менетрие, их уже ждал другой член экспедиции — молодой художник Иоганн Мориц Ругендас. Наконец, в январе 1822-го зафрахтованное Лангсдорфом судно «Дорис» покинуло берега Германии, чтобы по прошествии двух месяцев доставить путешественников в Бразилию. Там их ждал еще один участник экспедиции — астроном Нестор Гаврилович Рубцов, недавно окончивший штурманское училище Балтийского флота и рекомендованный Лангсдорфу В.М. Головниным.