Между тем Озерецковский летом 1771 г. обследовал Мурманский берег от устья р. Поной до Кольского залива. «Берега Лапландии... возвышены и во многих местах представляют огромные каменные утесы [пахты]. Горы, подходящие к берегу, безлесны, изрезаны множеством искривленных долин». От залива Озерецковский двинулся прямо на юг, вдоль р. Колы, через четыре озера, в том числе Имандру, достиг вершины Кандалакшской губы и таким образом пересек Кольский п-ов у его основания.
Летом 1772 г. Лепехин на баркасе осмотрел о. Мудьюгский у Зимнего берега Белого моря: «Пространство между... островом и матерым берегом называется Сухим морем. Сам остров... плоск, песчан и окружен мелью». Затем он обошел Летний берег, описал три Соловецких острова, основное внимание уделив рельефу главного острова, и вдоль Карельского берега добрался до вершины Кандалакшской губы.
Оттуда он поднялся к озеру Имандра по р. Ниве, отметив по ее левому берегу «горы» (возвышенность до 785 м). Вернувшись к морю, Лепехин вдоль Кандалакшского и Терского берегов перешел к устью Поноя, где сомкнул свою опись с работой Озерецковского. Так в результате их совместного труда было обследовано все побережье Кольского п-ова – более 1100 км.
Затем Лепехин пересек Горло Белого моря и у входа в Мезенскую губу описал о. Моржовец. Двигаясь вдоль Абрамовского и Кунушинского берегов, он обследовал Кулойскую губу, устье Мезени ,и достиг устья р. Неси (у 66°39' с. ш.). От ее истоков он перешел на р. Вижас и спустился ее берегом до Чешской губы, совершив пересечение Канинской тундры, «перемерив топкую пустыню ногами». Здесь ему помогли ненцы, и на оленях он проследил западный и северный берег Чешской губы до мыса Микулкина, восточной оконечности Канина. Озерецковский же обследовал южный и восточный берег Чешской губы и примыкающую к ней на северо-востоке Индигскую губу до тиманского Святого Носа (67°54' с. ш.). Морозы вынудили Лепехина повернуть на юг. Он пересек Канин по Чёше и Чиже и прибыл в Архангельск в октябре 1772 г. Канин он называл островом, но делал это скорее всего по традиции: из его донесений ясно видно, что «от матерой земли» Канин отделен не проливом, а реками. «Небольшие ручейки от вершин Чижи, соединяющиеся с Чёшей, часто совсем высыхают и проезд [лодкой] по сему отделению [волоку] делают невозможным». И все-таки миф об «острове» Канин удержался до ХХ в. Лепехин был первым ученым-исследователем Северо-Восточной Европы. К сожалению, о его путешествиях по Крайнему Северу до нас дошли только краткие рапорты.
Из экспедиции Лепехин привез большие зоологические и ботанические коллекции; он открыл несколько новых видов животных и растений. А всего в своих «Дневных записках» он упоминает около 600 видов растений и более 300 видов животных, часть их описана очень подробно. Он собрал также большой фактический материал по этнографии народов Поволжья (марийцев, мордвы и татар) и Урала (башкир, коми и манси). В сборе коллекций и этнографического материала большую помощь ему оказал Озерецковский.