Na své 68 890 námořních mil (79 280 mil; 127 580 km) kolem zeměkoule bylo provedeno 492 hlubokomořských sondáží, 133 dnových bagrů, 151 vlečných sítí na volném moři a 263 sériových pozorování teploty vody. Bylo objeveno přibližně 4 700 nových druhů mořských živočichů.
Vědeckou práci prováděli Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley a Rudolf von Willemoes-Suhm. Prosektorem byl jmenován Frank Evers Bed. Oficiálním výtvarníkem expedice byl John James Wild. Kromě Narese a Macleara byli součástí námořní posádky také Pelham Aldrich, George Granville Campbell a Andrew Francis Balfour (jeden ze synů skotského botanika Johna Huttona Balfoura). Mezi důstojníky byl také Thomas Henry Tizard, který na předchozích plavbách prováděl důležitá hydrografická pozorování. Tizard sice nepatřil mezi civilní vědecké pracovníky, ale později se podílel na sepsání oficiální zprávy o expedici a stal se také členem Královské společnosti.
Původní posádka lodi čítala 21 důstojníků a přibližně 216 členů posádky. Do konce plavby se tento počet snížil na 144 v důsledku úmrtí, dezercí, ponechání personálu na břehu z důvodu nemoci a plánovaných odjezdů.
Challenger dorazil do Hongkongu v prosinci 1874 a v té době Nares a Aldrich loď opustili, aby se zúčastnili britské arktické expedice. Novým kapitánem se stal Frank Tourle Thomson. Druhým velitelem a nejvyšším důstojníkem přítomným po celou dobu expedice byl komandér John Maclear. Willemoes-Suhm zemřel a byl pohřben na moři během plavby na Tahiti. Lordi Campbell a Balfour opustili loď ve Valparaisu v Chile poté, co byli povýšeni.
První etapa expedice vedla z Portsmouthu (prosinec 1872) na jih do Lisabonu (leden 1873) a poté na Gibraltar. Dalšími zastávkami byly Madeira a Kanárské ostrovy (obě v únoru 1873). Období od února do července 1873 strávila plavbou přes Atlantik na západ od Kanárských ostrovů k Panenským ostrovům, poté zamířila na sever k Bermudám, na východ k Azorám, zpět na Madeiru a poté na jih ke Kapverdským ostrovům. Během tohoto období se v dubnu a květnu 1873 uskutečnila okružní plavba z Bermud na sever do Halifaxu a zpět, při níž byl dvakrát překonán Golfský proud a zpětná cesta vedla dále na východ.
Po opuštění Kapverdských ostrovů v srpnu 1873 se výprava nejprve plavila na jihovýchod a poté zamířila na západ, aby dosáhla Skal svatého Pavla. Odtud se během září 1873 vydala na jih přes rovník do Fernando de Noronha a ještě téhož měsíce dále do Bahie (dnes Salvador) v Brazílii. Období od září do října 1873 strávili plavbou přes Atlantik z Bahie k mysu Dobré naděje, přičemž se cestou dotkli Tristan da Cunha.
Prosinec 1873 až únor 1874 strávila plavbou po zhruba jihovýchodní trase od mysu Dobré naděje k rovnoběžce 60° jižní šířky. Ostrovy, které během tohoto období navštívil, byly Ostrovy prince Edwarda, Crozetovy ostrovy, Kerguelenovy ostrovy a Heardův ostrov. Únor 1874 strávil cestou na jih a pak obecně na východ v blízkosti antarktického kruhu, přičemž pozoroval ledové hory, ledové kry a velryby. V březnu 1874 pak trasa vedla na severovýchod a pryč z ledových oblastí, přičemž expedice ještě téhož měsíce dorazila do australského Melbourne. Cesta na východ podél pobřeží z Melbourne do Sydney se uskutečnila v dubnu 1874 a vedla kolem Wilsons Promontory a mysu Howe.
Při obnovení plavby v červnu 1874 vedla trasa na východ ze Sydney do Wellingtonu na Novém Zélandu, následovala velká smyčka na sever do Tichého oceánu se zastávkami na Tongu a Fidži a koncem srpna zpět na západ k mysu York v Austrálii. Loď připlula na Nový Zéland koncem června a odjela začátkem července. Před doplutím do Wellingtonu (na novozélandském Severním ostrově) se krátce zastavila v Port Hardy (na ostrově d’Urville) a v Queen Charlotte Sound a Challenger proplul Cookovým průlivem, aby se dostal do Wellingtonu.
Trasa z Wellingtonu do Tongy vedla podél východního pobřeží novozélandského Severního ostrova a poté na sever a východ do otevřeného Pacifiku, přičemž cestou na Tongatabu, hlavní ostrov souostroví Tonga (tehdy známého jako Přátelské ostrovy), minula Kermadecké ostrovy. Koncem července a začátkem srpna 1874 byly prozkoumány vody kolem Fidžijských ostrovů, které se nacházejí kousek severozápadně od Tongy. Poté byl kurz lodi nastaven západním směrem, koncem srpna dosáhla ostrova Raine na vnějším okraji Velkého bariérového útesu a odtud připlula k mysu York na cípu australského poloostrova Cape York.
Během následujících tří měsíců, od září do listopadu 1874, navštívila expedice při plavbě z mysu York do Číny a Hongkongu (tehdy britské kolonie) několik ostrovů a skupin ostrovů. První část trasy vedla na sever a západ přes Arafurské moře, na severovýchodě se nacházela Nová Guinea a na jihozápadě australská pevnina. Prvními navštívenými ostrovy byly ostrovy Aru, následované nedalekými ostrovy Kai. Poté loď přeplouvala Bandské moře a dotkla se Bandských ostrovů, aby v říjnu 1874 dorazila na Amboinu (ostrov Ambon) a poté pokračovala na ostrov Ternate. Všechny tyto ostrovy jsou dnes součástí Indonésie.
Z Ternate se trasa ubírala severozápadním směrem k Filipínám a proplouvala východně od Celebesu (Sulawesi) do Celebeského moře. Výprava se zastavila v Samboanganu (Zamboanga) na ostrově Mindanao a poté v Iloilu na ostrově Panay, načež se plavila ve vnitrozemí souostroví cestou do zálivu a přístavu Manila na ostrově Luzon. Přejezd z Manily na severozápad do Hongkongu se uskutečnil v listopadu 1874.
Po několikatýdenním pobytu v Hongkongu se výprava počátkem ledna 1875 vydala po své trase na jihovýchod směrem k Nové Guineji. První zastávkou na této vnější etapě cesty byla Manila. Odtud pokračovali do Samboanganu, ale vydali se jinou trasou přes vnitrozemí Filipín, tentokrát se zastavili na ostrově Zebu. Ze Samboanganu se loď odklonila od vnitřní trasy, tentokrát proplouvala jižně od Mindanao – začátkem února 1875.
Challenger poté zamířil na východ na otevřené moře, než se stočil na jihovýchod a přistál v Humboldtově zátoce (dnes zátoka Yos Sudarso) na severním pobřeží Nové Guineje. V březnu 1875 dosáhla výprava Admiralitních ostrovů severovýchodně od Nové Guineje. Závěrečnou etapou cesty po této straně Tichého oceánu byla dlouhá cesta přes otevřený oceán na sever, při níž proplouvala převážně západně od Karolinských a Mariánských ostrovů a v dubnu 1875 dosáhla přístavu v japonské Jokohamě.
Challenger vyplul z Japonska v polovině června 1875, zamířil na východ přes Tichý oceán do bodu severně od Sandwichových ostrovů (Havaj), poté se stočil na jih a koncem července přistál v Honolulu na havajském ostrově Oahu. O několik týdnů později, v polovině srpna, se loď vydala jihovýchodním směrem, zakotvila v zátoce Hilo u havajského Velkého ostrova, poté pokračovala na jih a v polovině září dorazila na Tahiti.
Expedice opustila Tahiti začátkem října, stočila se na západ a na jih od Tubuajských ostrovů a poté zamířila na jihovýchod, než se stočila na východ k jihoamerickému pobřeží. V polovině listopadu 1875 se trasa dotkla ostrovů Juana Fernándeze a o několik dní později Challenger dorazil do chilského přístavu Valparaiso. Další etapa cesty začala následující měsíc a trasa vedla jihozápadním směrem zpět do Tichého oceánu kolem ostrovů Juana Fernándeze, poté se loď stočila na jihovýchod a vrátila se zpět k Jižní Americe. 31. prosince 1875 dosáhla přístavu Otway v Penaském zálivu.
Většinu ledna 1876 strávil plavbou kolem jižního cípu Jižní Ameriky, přičemž prozkoumal a dotkl se mnoha zátok a ostrovů Patagonského souostroví, Magellanova průlivu a Ohňové země. Navštívené lokality zde zahrnují Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, všechny v blízkosti Wellingtonova ostrova; Puerta Bueno, poblíž Hanoverova ostrova; Isthmus Bay, poblíž souostroví Queen Adelaide; a Port Churruca, poblíž ostrova Santa Ines.
Závěrečnými zastávkami před vyplutím do Atlantiku byly Port Famine, Sandy Point a Elizabeth Island. Challenger dosáhl Falklandských ostrovů koncem ledna, zastavil se v Port Stanley a poté pokračoval na sever a v polovině února 1876 dosáhl Montevidea v Uruguayi. Koncem února loď opustila Montevideo, zamířila nejprve na východ a poté na sever a koncem března 1876 dorazila na ostrov Ascension.
Dobu od začátku do poloviny dubna strávila plavbou z ostrova Ascension na Kapverdské ostrovy. Odtud se trasa koncem dubna a začátkem května 1876 stáčela západním směrem na sever do středního Atlantiku a nakonec se stočila na východ směrem k Evropě, aby se koncem května dotkla pevniny ve španělském Vigu. Závěrečná etapa plavby vedla z Viga na severovýchod, obeplula Biskajský záliv a přistála v Anglii. Challenger se vrátil do Spitheadu v hrabství Hampshire 24. května 1876 a strávil na moři 713 dní z celkových 1 250.
.