På sin 68.890 nautiske mils (79.280 mi; 127 580 km) rundt om jorden blev der foretaget 492 dybhavssonderinger, 133 bundopmudringer, 151 trawl i åbent vand og 263 observationer af vandtemperaturen i serie. Der blev opdaget ca. 4.700 nye arter af marint liv.
Det videnskabelige arbejde blev udført af Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley og Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed blev udnævnt til prosektor. Den officielle kunstner på ekspeditionen var John James Wild. Ud over Nares og Maclear var andre, der var en del af flådebesætningen, Pelham Aldrich, George Granville Campbell og Andrew Francis Balfour (en af sønnerne til den skotske botaniker John Hutton Balfour). Blandt officererne var også Thomas Henry Tizard, som havde udført vigtige hydrografiske observationer på tidligere rejser. Selv om han ikke var blandt den civile videnskabelige stab, skulle Tizard senere være med til at skrive den officielle beretning om ekspeditionen og blev også medlem af Royal Society.
Den oprindelige besætning af skibet omfattede 21 officerer og omkring 216 besætningsmedlemmer. Ved rejsens afslutning var dette reduceret til 144 på grund af dødsfald, deserteringer, personale, der blev efterladt i land på grund af sygdom, og planlagte afgange.
Challenger nåede Hong Kong i december 1874, hvor Nares og Aldrich forlod skibet for at deltage i den britiske arktiske ekspedition. Den nye kaptajn blev Frank Tourle Thomson. Næstkommanderende, og den højest placerede officer, der var til stede under hele ekspeditionen, var kommandør John Maclear. Willemoes-Suhm døde og blev begravet på havet under rejsen til Tahiti. Lords Campbell og Balfour forlod skibet i Valparaiso, Chile, efter at de var blevet forfremmet.
Den første del af ekspeditionen førte skibet fra Portsmouth (december 1872) sydpå til Lissabon (januar 1873) og derefter videre til Gibraltar. De næste stop var Madeira og De Kanariske Øer (begge februar 1873). Fra februar til juli 1873 krydsede skibet Atlanterhavet vestpå fra De Kanariske Øer til Jomfruøerne, derefter gik det nordpå til Bermuda, østpå til Azorerne, tilbage til Madeira og derefter sydpå til Kap Verde-øerne. I løbet af denne periode var der en omvej i april og maj 1873, hvor man sejlede fra Bermuda nordpå til Halifax og tilbage, hvor man krydsede Golfstrømmen to gange med den omvendte rejse, hvor man krydsede længere mod øst.
Efter at have forladt Kap Verde-øerne i august 1873 sejlede ekspeditionen først mod sydøst og derefter mod vest for at nå St Paul’s Rocks. Herfra gik ruten sydpå over ækvator til Fernando de Noronha i september 1873 og videre i samme måned til Bahia (nu kaldet Salvador) i Brasilien. Fra september til oktober 1873 krydsede man Atlanterhavet fra Bahia til Kap Det Gode Håb og anløb Tristan da Cunha undervejs.
December 1873 til februar 1874 blev brugt på at sejle på et omtrent sydøstligt spor fra Kap det gode håb til parallellen 60 grader syd. De øer, der blev besøgt i denne periode, var Prince Edward Islands, Crozet Islands, Kerguelen Islands og Heard Island. Februar 1874 blev brugt på at rejse sydpå og derefter generelt østpå i nærheden af den antarktiske cirkel med observationer af isbjerge, pakis og hvaler. Ruten førte derefter skibet nordøstpå og væk fra isområderne i marts 1874, og ekspeditionen nåede Melbourne i Australien senere samme måned. Rejsen østpå langs kysten fra Melbourne til Sydney fandt sted i april 1874, hvor ekspeditionen passerede Wilsons Promontory og Cape Howe.
Da rejsen blev genoptaget i juni 1874, gik ruten østpå fra Sydney til Wellington i New Zealand, efterfulgt af en stor sløjfe nordpå i Stillehavet med besøg i Tonga og Fiji og derefter tilbage vestpå til Cape York i Australien i slutningen af august. Skibet ankom til New Zealand i slutningen af juni og forlod det i begyndelsen af juli. Inden det nåede Wellington (på New Zealands nordø), blev der gjort korte stop i Port Hardy (på d’Urville Island) og Queen Charlotte Sound, og Challenger passerede Cookstrædet for at nå Wellington.
Ruten fra Wellington til Tonga gik langs østkysten af New Zealands nordø og derefter nord og øst ud i det åbne Stillehav, hvor det passerede Kermadec-øerne på vej til Tongatabu, hovedøen i Tonga-arkipelaget (dengang kendt som Friendly Islands). Farvandene omkring de fijianske øer, der ligger kort nordvest for Tonga, blev undersøgt i slutningen af juli og begyndelsen af august 1874. Skibets kurs blev derefter sat mod vest og nåede Raine Island – på den yderste kant af Great Barrier Reef – i slutningen af august og ankom derfra til Cape York, på spidsen af Australiens Cape York-halvø.
I løbet af de følgende tre måneder, fra september til november 1874, besøgte ekspeditionen flere øer og øgrupper, mens den sejlede fra Cape York til Kina og Hong Kong (dengang en britisk koloni). Den første del af ruten gik nord og vest over Arafurahavet, med Ny Guinea mod nordøst og det australske fastland mod sydvest. De første øer, der blev besøgt, var Aru-øerne, efterfulgt af de nærliggende Kai-øer. Skibet krydsede derefter Bandahavet med berøring ved Bandaøerne for at nå Amboina (Ambonøen) i oktober 1874 og fortsatte derefter til Ternateøen. Alle disse øer er nu en del af Indonesien.
Fra Ternate gik ruten nordvestpå mod Filippinerne og passerede øst for Celebes (Sulawesi) ud i Celebeshavet. Ekspeditionen anløb Samboangan (Zamboanga) på Mindanao og derefter Iloilo på øen Panay, inden den sejlede ind i det indre af øgruppen på vej til bugten og havnen i Manila på øen Luzon. Overfarten mod nordvest fra Manila til Hong Kong fandt sted i november 1874.
Efter flere uger i Hong Kong tog ekspeditionen af sted i begyndelsen af januar 1875 for at følge deres rute mod sydøst mod Ny Guinea. Det første stop på denne udrejse var Manila. Herfra fortsatte de til Samboangan, men tog en anden rute gennem det indre af Filippinerne, hvor de denne gang ankom til øen Zebu. Fra Samboangan afveg skibet fra den indadgående rute og passerede denne gang syd for Mindanao i begyndelsen af februar 1875.
Challenger satte derefter kursen mod øst ud på det åbne hav, inden det drejede mod sydøst og gik i land ved Humboldt Bay (nu Yos Sudarso Bay) på Ny Guineas nordkyst. I marts 1875 havde ekspeditionen nået Admiralitetsøerne nordøst for Ny Guinea. Den sidste del af rejsen på denne side af Stillehavet var en lang rejse over det åbne hav mod nord, hvor man passerede det meste vest for Carolineøerne og Marianerne og nåede havn i Yokohama, Japan, i april 1875.
Challenger forlod Japan i midten af juni 1875, satte kursen mod øst over Stillehavet til et punkt lige nord for Sandwich-øerne (Hawaii) og drejede derefter mod syd og gik i land i slutningen af juli ved Honolulu på den hawaiianske ø Oahu. Et par uger senere, i midten af august, afgik skibet mod sydøst og ankrede ved Hilo Bay ud for Hawaii’s Big Island, inden det fortsatte mod syd og nåede Tahiti i midten af september.
Ekspeditionen forlod Tahiti i begyndelsen af oktober, svingede vest og syd om Tubuai-øerne og satte derefter kursen mod sydøst, inden det drejede mod øst i retning af den sydamerikanske kyst. Ruten ramte Juan Fernández-øerne i midten af november 1875, og Challenger nåede havnen i Valparaiso i Chile et par dage senere. Den næste etape af rejsen begyndte den følgende måned, hvor ruten førte skibet mod sydvest tilbage ud i Stillehavet, forbi Juan Fernández-øerne, inden det drejede mod sydøst og tilbage mod Sydamerika og nåede Port Otway i Penas-bugten den 31. december 1875.
Det meste af januar 1876 blev brugt på at navigere rundt om Sydamerikas sydspids, idet man kortlagde og anløb mange af bugterne og øerne i det patagoniske øhav, Magellanstrædet og Tierra del Fuego. De steder, der blev besøgt her, omfatter Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, alle i nærheden af Wellington Island; Puerta Bueno, nær Hanover Island; Isthmus Bay, nær Queen Adelaide Archipelago; og Port Churruca, nær Santa Ines Island.
De sidste stop, inden de satte kursen ud i Atlanterhavet, var Port Famine, Sandy Point og Elizabeth Island. Challenger nåede Falklandsøerne mod slutningen af januar og anløb Port Stanley og fortsatte derefter nordpå og nåede Montevideo i Uruguay i midten af februar 1876. Skibet forlod Montevideo i slutningen af februar og sejlede først stik øst og derefter stik nord og ankom til Ascension Island i slutningen af marts 1876.
Perioden fra begyndelsen til midten af april blev brugt på at sejle fra Ascension Island til Kap Verde-øerne. Herfra gik ruten i slutningen af april og begyndelsen af maj 1876 i en vestlig sløjfe mod nord ud i det midtatlantiske område og drejede til sidst stik øst mod Europa for at gå i land i Vigo i Spanien mod slutningen af maj. Den sidste del af rejsen førte skibet og dets besætning nordøstpå fra Vigo og forbi Biscayabugten for at gå i land i England. Challenger vendte tilbage til Spithead, Hampshire, den 24. maj 1876 efter at have tilbragt 713 dage ud af de mellemliggende 1250 dage på havet.