Первым предприятием созданного в 1851 г. Сибирского отдела Географического общества стала Вилюйская экспедиция, получившая задание исследовать долину Вилюя и «белое пятно» к северу от него. Возглавил ее уроженец о. Сааремаа (Эстония) учитель-естественник Ричард Карлович Маак; к экспедиции был прикомандирован молодой военный топограф Александр Кондратьевич Зондгаген.
В конце 1853 г. Маак послал его из Иркутска для съемки нижнего Вилюя. Летом 1854 г. Зондгаген перевалил с Нижней Тунгуски на Чону (крупнейший правый приток Вилюя), по ней спустился на лодке со съемкой до устья и выяснил, что эта река течет в северном направлении по плоской возвышенности (Среднесибирское плоскогорье).
От устья Чоны он заснял Вилюй до города Вилюйска и, из-за холодов прервав работу, прошел в Якутск, куда к апрелю прибыл Маак и еще два сотрудника. Отсюда все четверо добрались до устья Вилюя. Сначала волоком на лодке с бечевою, а потом на лошадях отряд поднялся к Вилюйску; Зондгаген дополнил свою съемку низовьев реки. Окончательно снарядившись, в начале июля Маак двинулся в северо-западном направлении через средний Тюкян (левый приток Вилюя) и вышел на р. Хання, приток Мархи (система Вилюя), где получил ездовых оленей. Этот маршрут позволил Мааку установить, что левобережье Вилюя на 100-150 км, «подобно правобережью от устья до Вилюйска, представляет усеянную множеством озер низменность (Центральноякутская равнина наших карт).
Отсюда отряд без одного сотрудника, отправленного на юг для исследования среднего течения Мархи и ее притоков, двинулся в северном направлении через плоскую возвышенность. За 66° с. ш. – местность стала «неравномерно холмистою» и на пути отряда постоянно встречались «мрачные, большею частью голые утесы», что повлияло на скорость передвижения; к тому же некоторое время болели олени. И только в конце сентября отряд достиг р. Оленька у 68° с. ш. Время было позднее, Maaк спешил, так как «холод шел... навстречу с грозной ужасающей бодростью». Отряд двинулся на юго-запад к верховья Вилюя через верхние правые притоки Оленька и Оленекско-Вилюйский водораздел (у полярного круга между 107 и 108° в. д.). Под влиянием старых карт Маак посчитал его за широтный хребет, якобы достигающий на востоке Лены; сопки его имеют вид «развалин старых замков... колонн, обелисков или пирамид, как будто нарочно построенных». Но Маак ошибся – это были отдельные возвышенности. Далее отряд двинулся по местности, «представляющей плоскую возвышенность, разделенную пологими скатами» (Вилюйское плато); эти столовые горы поросли «уродливым кустарником и местами почти непроходимым хвойным лесом». В конце октября он достиг верхнего Вилюя, уже покрывавшегося льдом. Начались сильные морозы, и Зондгаген отморозил руки. По глубокому снегу Маак и его спутники преодолевали за сутки 11-16 км. Теплых юрт у них не было – дни и ночи приходилось проводить под открытым небом. «Я уверен, — писал Маак, — что каждый из нас, смыкая от усталости очи, не надеялся более открыть их»; к тому же не хватало провизии.
Вилюй тек в общем на восток, но делал много крутых излучин, вполне оправдывая свое название. Морозы все усиливались (—40°С); с трудом проследив все изгибы реки примерно на 100 км, путешественники решили идти пря мо на юго-запад. В ноябре, перевалив «высокий скалистый хребет, представляющий мало расчлененный массив живописных скалистых выступов в виде столбов и развалин древних замков», они достигли р. Улахан-Вава (приток Вилюя). Спустившись примерно до 64° с. ш., отряд перешел на левый берег Вилюя, двинулся на юго-восток и в конце декабря вновь коснулся Вилюя против устья Чоны. Здесь его ожидали якуты с продуктами и теплою одеждой. Зондгаrен замкнул свою съемку с маршрутом 1853 г., он снял почти весь Вилюй (длина 2650 км), за исключением небольшого участка от 64° с. ш. до устья Чоны. В январе 1855 г. отряд достиг селения Сунтар и через невысокий Ленско-Вилюйский водораздел и покрытую лесом равнину (Приленское плато) прошел в Олекминск, а оттуда – в Иркутск. Сразу же после завершения экспедиции Маак и Зондгаген отправились на Амур. Лишь по окончании экспедиционной деятельности Маак приступил к обработке своих вилюйских материалов. Он стал первым исследователем центрального региона Восточной Сибири; он впервые показал, что большая часть бассейна Вилюя представляет плоскую возвышенность (Среднесибирское плоскогорье); он первый оконтурил Центральноякутскую равнину. Но его выводы были опубликованы лишь в 1877—1886 гг. (последний том посмертно).