Невельской, произведенный в капитаны 1 ранга, отправился из Петербурга в свою вторую экспедицию. В заливе Счастья он основал зимовье, названное Петровским, но скоро понял, что этот район не удобен для зимовки судов, и на шлюпке с шестью матросами вошел в Амур. В ста верстах от устья, у мыса Куегда, 1 августа 1850 года был основан Николаевск-на-Амуре.
Местным жителям было объявлено, что Приморский край вплоть до границы с Кореей принадлежит России. Протеста это не вызвало. Гиляки были даже рады, ибо Невельской особое внимание уделял установлению дружеских отношений с коренным населением. Присоединение огромной территории прошло без малейшего насилия.
Оставив на Николаевском посту шесть матросов, Невельской вернулся в Петербург с отчетом и сумел убедить Николая I в необходимости действовать решительно. Император наложил на доклад капитана резолюцию: «Где раз поднят русский флаг, он уже спускаться не может». Капитан Невельской был награжден орденом Святого Владимира 4-й степени и вновь отправлен в Приамурский край. Дав указание укрепить Николаевский пост, Геннадий Иванович приступил к дальнейшему изучению края, посылая по разным направлениям небольшие партии казаков и матросов во главе с офицерами. Однако в скором времени пришла очередная инструкция из Петербурга: южнее Амура исследования не вести. И в который уже раз Геннадий Иванович пошел наперекор воле начальства. Летом 1852 года были исследованы река Амгунь, озеро Кизи, залив Де-Кастри, подготовлено несколько складов для экспедиций будущего года, который принес выдающиеся открытия.
Двигаясь в лодке от залива Де-Кастри на юг, посланный Невельским лейтенант Бошняк первым из европейцев открыл обширную и хорошо укрытую бухту. Ее величественный вид настолько поразил молодого офицера, что он скомандовал матросам: «Шапки долой!» Бухта была названа первооткрывателем Императорской гаванью (сейчас Советская гавань). В ней в полной безопасности мог базироваться флот любой численности, имея при этом по Амуру связь с внутренними районами страны.
В Петербурге наконец оценили значение великой реки — перебрасывать по ней из Забайкалья войска и грузы на побережье океана было не в пример удобнее, чем по старому сухопутному пути на Охотск.
Проводя свои исследования в Приамурском крае, капитан Невельской не предполагал, что они так быстро принесут положительный результат. Началась Крымская война. Летом 1854 года в виду Петропавловска появилась соединенная англо-французская эскадра. Трем фрегатам, корвету, бригу и пароходу союзников с 218 орудиями русские могли противопоставить лишь фрегат «Аврору», вооруженный транспорт «Двину» и силы небольшого местного гарнизона.
