Атласов добрался до южной оконечности Камчатки и оттуда увидел первый остров Курильской гряды — Шумшу. В его «скаске» говорится, что вышел он к реке и «против неё на море как бы остров есть». Дальше был безбрежный океан. Атласов возвратился в зимовье к Иче уже осенью. За время его отсутствия пали от бескормицы или болезни олени. Угроза голода заставила с наступлением весны двинуться в Анадырь. Часть отряда (28 человек) отправилась в долину Камчатки «на откорм» у камчадалов.
В начале июля 1699 года Атласов вышел в новый путь. С ним были 15 казаков, два юкагира да собранный ясак — 330 соболей и 190 красных лисиц.
Он снова оказался в долине реки Камчатки. На сей раз Атласов заметил вулканы, очевидно, ранее закрытые туманом: «...есть гора, подобна хлебному скирду, велика и высока гораздо; из неё днём идёт дым, а ночью — искры и зарево...»
Весной 1700 года, через пять лет, вернулся Атласов в Якутск. С отчётом о своих скитаниях он поехал в Москву. Проезжая через Тобольск, рассказал обо всём виденном тамошнему географу и чертёжнику карт Семёну Ремезову, который начертил с его слов карту Камчатки. В Москве доклад Атласова был всеобъемлющ: в нём содержались сведения о горах, реках, берегах Камчатки, её зверях и рыбе, о жителях — камчадалах и айнах. Сообщил он и о Курильских островах, о Японии и даже о «Большой Земле» (так Атласов называл Америку). Пётр I высоко оценил его сведения. По мнению академика Л.С. Берга, «ни один из сибирских землепроходцев XVII в. и начала XVIII в. не даёт таких содержательных отчётов».
Владимира Атласова повысили в должности и отправили снова на Камчатку казачьим головой. Но как только он прибыл в 1707 году в Анадырский острог, преодолев за полгода просторы Сибири, ему сразу же пришлось подавлять бунт казаков. Восставшие арестовали его, но Атласов сумел убежать из-под стражи и знакомым путём ушёл на Камчатку.
Два года он провёл там, сражаясь с непокорными камчадалами, но взбунтовавшиеся казаки всё же до него добрались. Последние дни Атласова описал Пушкин, задумавший повесть из камчатской жизни: «Не доехав полверсты, отправили они трёх казаков к нему с письмом, предписав им убить его, когда станет читать... Но они застали его спящим и зарезали».
