På sin 68 890 nautiska mil (79 280 mi; 127 580 km) runt jorden gjordes 492 djuphavssonderingar, 133 bottenmuddringar, 151 trålar i öppet vatten och 263 observationer av vattentemperaturen. Omkring 4 700 nya arter av marint liv upptäcktes.
Det vetenskapliga arbetet utfördes av Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley och Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed utsågs till prosektor. Expeditionens officiella konstnär var John James Wild. Förutom Nares och Maclear ingick även Pelham Aldrich, George Granville Campbell och Andrew Francis Balfour (en av sönerna till den skotska botanisten John Hutton Balfour) i flottans besättning. Bland officerarna fanns också Thomas Henry Tizard, som hade utfört viktiga hydrografiska observationer på tidigare resor. Även om han inte ingick i den civila vetenskapliga personalen skulle Tizard senare hjälpa till att skriva den officiella redogörelsen för expeditionen och även bli medlem av Royal Society.
Den ursprungliga fartygsbesättningen bestod av 21 officerare och cirka 216 besättningsmedlemmar. I slutet av resan hade detta reducerats till 144 på grund av dödsfall, deserteringar, personal som lämnades i land på grund av sjukdom och planerade avgångar.
Challenger nådde Hong Kong i december 1874, då Nares och Aldrich lämnade fartyget för att delta i den brittiska arktiska expeditionen. Den nya kaptenen var Frank Tourle Thomson. Den andre befälhavaren, och den högsta officer som var närvarande under hela expeditionen, var kommendörkapten John Maclear. Willemoes-Suhm dog och begravdes till sjöss under resan till Tahiti. Lords Campbell och Balfour lämnade fartyget i Valparaiso, Chile, efter att ha blivit befordrade.
Den första etappen av expeditionen tog fartyget från Portsmouth (december 1872) söderut till Lissabon (januari 1873) och sedan vidare till Gibraltar. Nästa stopp var Madeira och Kanarieöarna (båda februari 1873). Under perioden februari-juli 1873 korsade man Atlanten västerut från Kanarieöarna till Jungfruöarna, för att sedan ta sig norrut till Bermuda, österut till Azorerna, tillbaka till Madeira och sedan söderut till Kap Verdeöarna. Under denna period gjordes en avstickare i april och maj 1873, där man seglade från Bermuda norrut till Halifax och tillbaka och korsade Golfströmmen två gånger med den omvända resan längre österut.
Efter att ha lämnat Kap Verdeöarna i augusti 1873 seglade expeditionen först åt sydost och sedan västerut för att nå St Paul’s Rocks. Härifrån gick rutten söderut över ekvatorn till Fernando de Noronha under september 1873 och vidare samma månad till Bahia (numera Salvador) i Brasilien. Under perioden september-oktober 1873 korsade man Atlanten från Bahia till Kap det Goda Hoppet, och anlöpte Tristan da Cunha på vägen.
December 1873 till februari 1874 tillbringades med att segla på en ungefär sydostlig bana från Kap det goda hoppet till parallellen 60 grader syd. De öar som besöktes under denna period var Prince Edwardöarna, Crozetöarna, Kerguelenöarna och Heard Island. Februari 1874 tillbringades med att resa söderut och sedan generellt österut i närheten av Antarktiska cirkeln, med iakttagelser av isberg, packis och valar. Rutten förde sedan fartyget nordost och bort från isregionerna i mars 1874, och expeditionen nådde Melbourne i Australien senare samma månad. Resan österut längs kusten från Melbourne till Sydney ägde rum i april 1874 och passerade Wilsons Promontory och Cape Howe.
När resan återupptogs i juni 1874 gick resan österut från Sydney till Wellington på Nya Zeeland, följt av en stor slinga norrut in i Stilla havet med anlöp vid Tonga och Fiji, för att sedan återvända västerut till Cape York i Australien i slutet av augusti. Fartyget anlände till Nya Zeeland i slutet av juni och lämnade det i början av juli. Innan fartyget nådde Wellington (på Nya Zeelands norra ö) gjordes korta stopp i Port Hardy (på d’Urville Island) och Queen Charlotte Sound och Challenger passerade Cook Strait för att nå Wellington.
Rutten från Wellington till Tonga gick längs östkusten på Nya Zeelands norra ö och sedan norrut och österut i det öppna Stilla havet, och passerade förbi Kermadec-öarna på väg till Tongatabu, huvudön i Tonga-arkipelagen (som då hette Friendly Islands). Vattnen runt de fijianska öarna, en bit nordväst om Tonga, undersöktes i slutet av juli och början av augusti 1874. Fartygets kurs sattes sedan västerut och nådde Raine Island – på ytterkanten av Stora barriärrevet – i slutet av augusti och därefter Cape York, på spetsen av Australiens Cape York-halvö.
Under de följande tre månaderna, från september till november 1874, besökte expeditionen flera öar och ögrupper medan den seglade från Cape York till Kina och Hong Kong (då en brittisk koloni). Den första delen av rutten gick norrut och västerut över Arafurahavet, med Nya Guinea i nordost och det australiska fastlandet i sydväst. De första öarna som besöktes var Aruöarna, följt av de närliggande Kaiöarna. Fartyget korsade sedan Bandahavet och rörde vid Bandaöarna, för att i oktober 1874 nå Amboina (Ambonön) och sedan fortsätta till Ternateön. Alla dessa öar är nu en del av Indonesien.
Från Ternate gick rutten åt nordväst mot Filippinerna och passerade öster om Celebes (Sulawesi) i Celebeshavet. Expeditionen anlöpte Samboangan (Zamboanga) på Mindanao och sedan Iloilo på ön Panay, innan den navigerade i skärgårdens inre på väg till Manilabukten och hamnen i Manila på ön Luzon. Överfarten i nordvästlig riktning från Manila till Hongkong ägde rum i november 1874.
Efter flera veckor i Hongkong avgick expeditionen i början av januari 1875 för att återgå till sin rutt i sydostlig riktning mot Nya Guinea. Det första stoppet på denna utåtriktade del av resan var Manila. Därifrån fortsatte de till Samboangan, men tog en annan väg genom Filippinernas inland, och den här gången anlände de till ön Zebu. Från Samboangan avvek fartyget från den inre rutten och passerade denna gång söder om Mindanao i början av februari 1875.
Challenger gick sedan österut på öppet hav, innan det vände åt sydost och gick i land i Humboldtbukten (nu Yos Sudarso-bukten) på Nya Guineas norra kust. I mars 1875 hade expeditionen nått Admiralitetsöarna nordost om Nya Guinea. Den sista etappen av resan på denna sida av Stilla havet var en lång resa över det öppna havet norrut, där man passerade mestadels väster om Karolinerna och Marianerna och nådde hamn i Yokohama, Japan, i april 1875.
Challenger lämnade Japan i mitten av juni 1875, gick österut över Stilla havet till en punkt rakt norr om Sandwichöarna (Hawaii) och svängde sedan söderut för att i slutet av juli gå i land i Honolulu på den hawaiianska ön Oahu. Ett par veckor senare, i mitten av augusti, avgick fartyget mot sydost och ankrade vid Hilo Bay utanför Hawaiis Big Island, innan det fortsatte söderut och nådde Tahiti i mitten av september.
Expeditionen lämnade Tahiti i början av oktober, svängde väster och söder om Tubuaiöarna och gick sedan mot sydost innan den svängde österut mot den sydamerikanska kusten. Rutten anlände till Juan Fernándezöarna i mitten av november 1875 och Challenger nådde hamnen i Valparaiso i Chile några dagar senare. Nästa etapp av resan påbörjades månaden därpå och rutten förde fartyget sydvästut i Stilla havet, förbi Juan Fernández-öarna, innan det vände åt sydost och återvände mot Sydamerika och nådde Port Otway i Penasbukten den 31 december 1875.
De flesta av januari 1876 tillbringades med att navigera runt Sydamerikas sydspets och kartlägga och anlöpa många av vikarna och öarna i Patagoniens arkipelag, Magellansundet och Tierra del Fuego. Platser som besöktes här inkluderar Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, alla i närheten av Wellington Island; Puerta Bueno, nära Hanover Island; Isthmus Bay, nära Queen Adelaide Archipelago; och Port Churruca, nära Santa Ines Island.
De sista stoppen, innan man begav sig ut i Atlanten, var Port Famine, Sandy Point, och Elizabeth Island. Challenger nådde Falklandsöarna i slutet av januari och anlöpte Port Stanley för att sedan fortsätta norrut och nå Montevideo i Uruguay i mitten av februari 1876. Fartyget lämnade Montevideo i slutet av februari och gick först rakt österut och sedan rakt norrut och anlände till Ascension Island i slutet av mars 1876.
Perioden från början till mitten av april ägnades åt att segla från Ascension Island till Kap Verdeöarna. Därifrån gick rutten i slutet av april och början av maj 1876 i en västlig slinga norrut ut i mitten av Atlanten, för att så småningom svänga rakt österut mot Europa för att landa i Vigo i Spanien i slutet av maj. Den sista etappen av resan förde fartyget och dess besättning nordost från Vigo, förbi Biscayabukten för att gå i land i England. Challenger återvände till Spithead, Hampshire, den 24 maj 1876, efter att ha tillbringat 713 dagar av de mellanliggande 1 250 dagarna till sjöss.