
Для этого в 1909 году на Невском заводе в Петербурге были специально построены два ледокольных транспорта «Таймыр» и «Вайгач», водоизмещением 1,5 тыс. тонн каждый и мощностью машин в 1,2 тыс. лошадиных сил. В июле 1910 года они прибыли во Владивосток. И уже в августе того же года была сформирована Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана. Начальником экспедиции был назначен опытный гидрограф Иван Семёнович Сергеев. Программа экспедиции была обширной, рассчитанной на пятилетний срок.

Первый поход «Таймыр» и «Вайгач» совершили летом — осенью 1910 года. Члены экспедиции уточняли карты побережий Камчатки и Чукотки, лоции Берингова пролива и сделали пробный выход в арктические воды. Сильные снегопады помешали проведению работ, и экспедиция возвратилась во Владивосток.
В 1911 и 1912 годах экспедиция изучала Восточно-Сибирское и Чукотские моря. В 1911-ом ледоколы дошли до устья Колымы и изучили подходы к острову Врангеля. В 1912-ом «Таймыр» и «Вайгач» прошли на запад до бухты Тикси. Были описаны Медвежьи и Новосибирские острова, часть материкового побережья. С каждым годом задача экспедиции усложнялась, район гидрографических съемок все более удалялся от ее баз, и позднее осеннее возвращение в незамерзающие воды Берингова моря могло обернуться вынужденной зимовкой.
В 1913 году командиром «Таймыра» стал Борис Андреевич Вилькицкий. Его отец — Андрей Иннокентьевич Вилькицкий, начальник Главного Гидрографического управления Морского министерства — не поддерживал идею участия сына в Гидрографической экспедиции, так как считал неприличной ситуацию, когда сын служит под руководством отца. В марте 1913 Андрей Иннокентьевич скончался. По случайному стечению обстоятельств именно в это время открылась вакансия на должность капитана ледокола «Таймыр» в составе ГЭСЛО. Теперь уже ничто не мешало Борису Вилькицкому принять участие в арктической экспедиции. А в начале июля, когда суда экспедиции уже были в пути, ее начальник Иван Сергеев тяжело заболел и был снят с судна на берег. В ходе переговоров по телеграфу с Петербургом было получено распоряжение о назначении Вилькицкого начальником ГЭСЛО.
В 1913 году пути ледоколов разошлись, «Таймыр» тщательно обследовал южные берега моря Лаптевых, Хатангский залив, побережье Таймыра, а «Вайгач» северные подходы к Новосибирским островам, острова Де-Лонга и встретился со своим флагманом у залива Фаддея.
В конце августа ледоколы шли вдоль восточного побережья полуострова Таймыр, приближаясь к мысу Челюскин. Но вскоре путь на запад преградили тяжелые льды, только в северо-западном направлении простиралась широкая полынья, по которой и пошли суда. 2 сентября (по новому стилю) по курсу судов встретился неизвестный невысокий остров, впоследствии названный Малым Таймыром. В тот же день навстречу стали попадаться айсберги. Это было неожиданностью. На всем протяжении от Берингова пролива до устья Лены плавучие ледяные горы (результат обрушения в море краевых частей ледников суши) нигде не встречались. Берега северо-восточной Азии и арктических островов были невысокими и не несли следов оледенения. Все это давало понять, что экспедиция входит в совершенно неисследованную часть акватории Ледовитого океана.
Неизвестную землю заметили на обоих ледоколах почти одновременно. На шедшем впереди «Таймыре» ее заметил доктор Л. М. Старокадомский. Выйдя на палубу ранним утром 3 сентября и оглядев водную гладь по курсу ледокола, он вдруг справа увидел высокий берег, переходящий в плосковерхую возвышенность. Вскоре вахтенный офицер (лейтенант В. Гойнинген-Гюне) тоже увидел землю и подал сигнал. В это же время и на «Вайгаче» берег увидел вахтенный лейтенант Н. И. Евгенов. После обмена сигналами суда приблизились к земле, но пристать к ней мешал мощный слой ледяного припая. Весь день ледоколы шли вдоль берегов возвышенной суши, на которой за полосой прибрежных террас высились столовые горы, увенчанные шапками ледников. Гидрографы экспедиции вели дистанционную съемку земли, фиксируя, мысы, заливы, небольшие острова.
К середине следующего дня (4 сентября) суда приблизились к одному из мысов настолько, что на берег была спущена пешая партия. Здесь, на мысе Берга состоялась церемония поднятия Российского государственного флага. Начальник экспедиции капитан Вилькицкий зачитал приказ, где были такие строки: «…В поисках великого Северного пути из Тихого океана в Атлантический, нам удалось достигнуть мест, где еще не бывал человек и открыть земли, о которых никто и не думал. Мы установили, что вода на север от мыса Челюскина не широкий океан, как это считали раньше, а узкий пролив. Это открытие само по себе имеет большое научное значение, оно объяснит многое в распределении льдов океана и даст новое направление поискам великого пути».

Еще около суток ледоколы двигались вдоль берегов в северо-западном направлении, но уже чувствовалось, что полоса свободной воды сужается. И вскоре тяжелые льды заставили суда остановиться. Так и не убедившись в том, что они достигли северной оконечности неизвестной земли, корабли легли на обратный курс.

Открытая суша получила от моряков рабочее название «Земля Тайвай», представлявшее собой комбинацию из первых слогов названий ледоколов. Но все понимали, что это имя временное. Впоследствии чиновники Морского министерства предложили назвать ее «Землей Императора Николая II». В январе 1914 года государь император милостиво соблаговолил принять предложенный проект. Позднее, в 1926 году, правительство СССP переименовало Землю Императора Николая Второго в Северную Землю.
Вторая попытка подойти к мысу Челюскин снова не удалась, и ледоколы повернули на восток в сторону Берингова пролива, куда подошли 5 октября 1913 года. А через 5 дней из американского поселка Сан-Майкл на берегу Аляски они отправили по телеграфу в Петербург краткий рапорт о результатах похода.
1914 год должен был стать решающим в прохождении самого сложного — таймырского участка северной трассы. Но уже в начале пути на подступах к мысу Дежнева радиотелеграф принес тревожную весть о начале Мировой войны. В первые недели боев, еще не понимая масштабов происходящих событий, петербургское руководство предписывало исследователям продолжать свои работы в соответствии с намеченными планами, но уже в сентябре они получили строгое предписание следовать на зимнюю стоянку на запад — в Архангельск. В тот год ледовая обстановка не благоприятствовала к плаванию на север вдоль берегов открытой земли, но позволяла подойти к ее южным берегам. Гидрографы закартировали берега южного острова и высадили на берег исследовательскую партию. Но дальнейший путь в западную часть пролива был закрыт, и после ряда маневров ледоколы встали на зимовку в 15 милях друг от друга у западного побережья полуострова Челюскин.
К началу нового 1915 года стало очевидно, что надежды на удачную охоту и рыбалку не оправдались, и продуктов для экипажа судов («Таймыр» — 50, «Вайгач» — 48 человек) до начала навигации может не хватить. К счастью, в 150 км западнее ледоколов у мыса Вильда зимовало норвежское судно «Эклипс». Радисты ледоколов установили с «Эклипсом» устойчивую связь. А сигналы норвежцев, имевших более мощный радиопередатчик, в свою очередь, достигали русской полярной станции в районе Югорского Шара. Так удалось наладить обмен радиограммами с руководством в Петербурге. Гидрографическому управлению в короткие сроки удалось организовать зимовщикам посильную помощь. Из Дудинки силами местного энтузиаста-полярника Н. А. Бегичева к северному побережью Таймыра был направлен караван оленьих упряжек. С помощью гужевого транспорта удалось доставить зимовщикам некоторый запас продуктов и вывезти часть экипажа судов в низовье Енисея (пос. Гольчиха). Через две месяца сюда за моряками зашел ледокол «Вайгач», освободившийся из ледового плена. Экспедиция продолжила свой путь.

В навигацию 1915 года ледоколы продолжили гидрографическую съемку северо-западного побережья Таймыра. 16 сентября прибыли в Архангельск. Здесь мореплавателям была организована триумфальная встреча.
Вилькицкого называли «Российским Колумбом», все участники плавания и зимовки были награждены орденами, и медалями, им выплатили жалования, предоставили отпуска. Но многие моряки тут же подали рапорты с просьбой о зачислении на корабли военного флота. В условиях Мировой войны триумф полярной экспедиции прошел совсем не так ярко, как мог бы пройти в мирное время.