Через два месяца после возвращения из экспедиции, в конце апреля 1730 г., В. Беринг составил две докладные записки в Адмиралтейств-коллегию (морское ведомство); в Сенат они были представлены лишь в конце того же года. В первом «Предложении» он, в частности, высказывал уверенность в сравнительной близости Америки от п-ова Камчатка и целесообразности установления торговых контактов с местными жителями; он отмечал необходимость и возможность разрабатывать в Сибири железную руду, сеять хлеб и варить соль.
Во второй записке В. Беринг выдвинул план «северные земли... выведывать», т. е. установить, как далеко к северу распространяется Азия, и нанести на карту северное побережье континента. Он предложил также выяснить возможность достижения морским путем устья Амура и Японских о-вов и, наконец, направить суда к берегам Америки. Иными словами, В. Беринг выдвинул план новой большой экспедиции и выразил готовность принять участие в ней.
В 1733 г. правительство поставило В. Беринга во главе Второй Камчатской экспедиции, назначив «ему в товарищи другого капитана, доброго, из русских» — А. И. Чирикова. Они должны были пересечь Сибирь и от Камчатки отправиться для исследования противоположных берегов Северной Америки («обыскание американских берегов от Камчатки»), а М. Шпанберг, положив на карту Курильские о-ва, — плыть к Японии и установить с ней связь («обсервация и изыскание пути до Японии»). Несколько отрядов должны были нанести на карты северные берега России от Печоры до крайнего северо-востока и по возможности до Камчатки («для подыскания известия... имеется ли проход Северным морем»), а Академический отряд – исследовать внутренние районы Сибири. Работу экспедиции предполагалось закончить через шесть лет. Общее начальство над всей экспедицией, величайшей по объему заданий, исследуемой территории и числу участников, возлагалось на В. Беринга. Но фактически, когда он перешел в Охотск, ему были подчинены только два отряда – его и М. Шпанберга. Хотя северные отряды и работали самостоятельно, вся их деятельность контролировалась В. Берингом. Подтверждением того служат не только его рапорты в Адмиралтейств-коллегию и его детальный отчет о выполненных ими исследованиях, но, главное, переписка с начальниками отрядов.
Академия наук прикомандировала к экспедиции группу научных работников, которую обычно и называют Академическим отрядом Великой Северной экспедиции.
В начале 1734 г. вся экспедиция во главе с В. Берингом собралась в Тобольске. Оттуда он послал несколько сухопутных партий геодезистов для изучения побережья океана, выделив к уже имевшимся двух человек из свиты профессоров, и направился в Якутск, куда добрался в конце октября. Три года В. Берингу пришлось провести там: он организовал строительство железоделательного завода и канатной мастерской, наладил сбор смолы и изготовление такелажа для судов, оказал помощь попавшему в тяжелое положение отряду М. Шпанберга, обеспечил отправку в Охотск снаряжения и продовольствия.
В Якутске в конце концов скопилось до 800 участников разных отрядов – офицеры, иногда с женами и детьми, научные работники, топографы, мастеровые, матросы, солдаты и ссыльные для перевозки грузов. В ответ на настойчивые просьбы В. Беринга о помощи бездействующие местные власти начали писать доносы в столицу и всячески препятствовать заготовке продовольствия и снаряжения. Петербургское же начальство «помогло» по-своему: оно лишило В. Беринга прибавочного жалованья. Но он покинул Якутск, лишь убедившись, что команда вполне обеспечена провизией. В Охотске, куда перешел В. Беринг, за три года ему также пришлось преодолеть немало трудностей и открытую неприязнь коменданта Охотска.
Адмиралтейств-коллегия дошла до высшей точки раздражения: из полученных коллегией рапортов усмотрено только одно, что «леса заготовляются, и суда строются, и паруса шьются...». И начальство указало, что «лесам давно надлежало быть приготовленным, и судам построенным, и парусам сшитым», и потребовало от В. Беринга «в путь свой отправляться без всякого замедления, не утруждая, яко излишними, без всякого действия переписками».
В начале сентября 1740 г. В. Беринг отплыл из Охотска на Камчатку. На восточном берегу полуострова, у Авачинской губы, в открытой его моряками прекрасной гавани, которую он назвал Петропавловской – по двум судам экспедиции: «Св. Петру» и «Св. Павлу», — экспедиция перезимовала.
4 июня 1741 г. через восемь лет после отъезда из Петербурга В. Беринг и А. Чириков вышли к берегам Америки. Каждый из них командовал судном водоизмещением около 200 т с экипажем в 75 человек. На корабле В. Беринга «Св. Петр» находился молодой ученый Георг Вильгельм Стеллер, прославившийся описанием этого плавания. Помощником В. Беринга был швед Свен (Ксаверий) Лаврентьевич Ваксель, также оставивший интересное описание экспедиции.