Auf der 68.890 Seemeilen langen Reise rund um den Globus wurden 492 Tiefseelotungen, 133 Bodenbohrungen, 151 Freiwasserschleppnetze und 26 Serien von Wassertemperaturmessungen durchgeführt; 127.580 km) rund um den Globus wurden 492 Tiefseelotungen, 133 Grunddredgen, 151 Schleppnetze im offenen Wasser und 263 Beobachtungen der Wassertemperatur durchgeführt. Etwa 4.700 neue Arten von Meereslebewesen wurden entdeckt.
Die wissenschaftliche Arbeit wurde von Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley und Rudolf von Willemoes-Suhm durchgeführt. Frank Evers Bed wurde zum Prosektor ernannt. Der offizielle Künstler der Expedition war John James Wild. Neben Nares und Maclear gehörten auch Pelham Aldrich, George Granville Campbell und Andrew Francis Balfour (einer der Söhne des schottischen Botanikers John Hutton Balfour) zur Schiffsbesatzung. Zu den Offizieren gehörte auch Thomas Henry Tizard, der auf früheren Fahrten wichtige hydrographische Beobachtungen gemacht hatte. Obwohl er nicht zum zivilen wissenschaftlichen Personal gehörte, war Tizard später an der Abfassung des offiziellen Berichts über die Expedition beteiligt und wurde außerdem Mitglied der Royal Society.
Die ursprüngliche Schiffsbesatzung umfasste 21 Offiziere und etwa 216 Besatzungsmitglieder. Am Ende der Reise war die Besatzung aufgrund von Todesfällen, Desertionen, krankheitsbedingten Ausfällen und geplanten Abreisen auf 144 Personen geschrumpft.
Im Dezember 1874 erreichte die Challenger Hongkong, wo Nares und Aldrich das Schiff verließen, um an der britischen Arktisexpedition teilzunehmen. Der neue Kapitän war Frank Tourle Thomson. Zweiter Kommandant und ranghöchster Offizier während der gesamten Expedition war Commander John Maclear. Willemoes-Suhm starb auf der Fahrt nach Tahiti und wurde auf See beigesetzt. Die Lords Campbell und Balfour verließen das Schiff in Valparaiso, Chile, nachdem sie befördert worden waren.
Die erste Etappe der Expedition führte das Schiff von Portsmouth (Dezember 1872) nach Süden bis Lissabon (Januar 1873) und dann weiter nach Gibraltar. Die nächsten Stationen waren Madeira und die Kanarischen Inseln (beide Februar 1873). Von Februar bis Juli 1873 wurde der Atlantik in westlicher Richtung von den Kanarischen Inseln zu den Jungferninseln überquert, dann ging es nach Norden zu den Bermudas, nach Osten zu den Azoren, zurück nach Madeira und dann nach Süden zu den Kapverdischen Inseln. Während dieser Zeit wurde im April und Mai 1873 ein Abstecher von den Bermudas nach Halifax und zurück gemacht, wobei der Golfstrom zweimal gekreuzt wurde und die Rückfahrt weiter östlich verlief.
Nach dem Verlassen der Kapverdischen Inseln im August 1873 segelte die Expedition zunächst nach Südosten und dann nach Westen zu den St. Paul’s Rocks. Von hier aus führte die Route im September 1873 über den Äquator nach Fernando de Noronha und im selben Monat weiter nach Bahia (heute Salvador) in Brasilien. Von September bis Oktober 1873 überquerte sie den Atlantik von Bahia zum Kap der Guten Hoffnung und berührte unterwegs Tristan da Cunha.
Von Dezember 1873 bis Februar 1874 segelte sie auf einer grob südöstlichen Route vom Kap der Guten Hoffnung bis zum Breitengrad 60 Grad Süd. Die in dieser Zeit besuchten Inseln waren die Prince-Edward-Inseln, die Crozet-Inseln, die Kerguelen und Heard Island. Im Februar 1874 ging es zunächst nach Süden und dann in der Nähe des antarktischen Kreises allgemein nach Osten, wobei Eisberge, Packeis und Wale gesichtet wurden. Im März 1874 führte die Route das Schiff dann nordöstlich und weg von den Eisregionen, und die Expedition erreichte Melbourne in Australien später im selben Monat. Die Reise ostwärts entlang der Küste von Melbourne nach Sydney fand im April 1874 statt, vorbei an Wilsons Promontory und Cape Howe.
Als die Reise im Juni 1874 fortgesetzt wurde, führte die Route östlich von Sydney nach Wellington in Neuseeland, gefolgt von einer großen Schleife nach Norden in den Pazifik, wobei Tonga und Fidschi angelaufen wurden, und dann Ende August zurück nach Westen zum Cape York in Australien. Das Schiff kam Ende Juni in Neuseeland an und verließ es Anfang Juli. Bevor es Wellington (auf der neuseeländischen Nordinsel) erreichte, legte es kurze Zwischenstopps in Port Hardy (auf der Insel d’Urville) und im Queen Charlotte Sound ein, und die Challenger durchquerte die Cookstraße, um Wellington zu erreichen.
Die Route von Wellington nach Tonga führte entlang der Ostküste der neuseeländischen Nordinsel und dann nach Norden und Osten in den offenen Pazifik hinein, vorbei an den Kermadec-Inseln auf dem Weg nach Tongatabu, der Hauptinsel des Tonga-Archipels (damals bekannt als die Freundschaftsinseln). Ende Juli und Anfang August 1874 wurden die Gewässer um die Fidschi-Inseln, die sich in geringer Entfernung nordwestlich von Tonga befinden, vermessen. Anschließend wurde der Kurs des Schiffes nach Westen festgelegt, so dass Ende August die Raine-Insel am äußeren Rand des Great Barrier Reefs erreicht wurde, von wo aus die Expedition nach Cape York an der Spitze der australischen Cape-York-Halbinsel gelangte.
In den folgenden drei Monaten, von September bis November 1874, besuchte die Expedition mehrere Inseln und Inselgruppen, während sie von Cape York nach China und Hongkong (damals eine britische Kolonie) segelte. Der erste Teil der Route verlief in nördlicher und westlicher Richtung über die Arafura-See, mit Neuguinea im Nordosten und dem australischen Festland im Südwesten. Die ersten besuchten Inseln waren die Aru-Inseln, gefolgt von den nahe gelegenen Kai-Inseln. Anschließend durchquerte das Schiff die Banda-See und berührte die Banda-Inseln, um im Oktober 1874 Amboina (die Insel Ambon) zu erreichen, und fuhr dann weiter zur Insel Ternate. Alle diese Inseln gehören heute zu Indonesien.
Von Ternate führte die Route in nordwestlicher Richtung zu den Philippinen und mündete östlich von Celebes (Sulawesi) in die Celebes-See. Die Expedition legte in Samboangan (Zamboanga) auf Mindanao und dann in Iloilo auf der Insel Panay an, bevor sie auf ihrem Weg zur Bucht und zum Hafen von Manila auf der Insel Luzon das Innere des Archipels durchquerte. Die Überfahrt von Manila nach Hongkong in nordwestlicher Richtung fand im November 1874 statt.
Nach einem mehrwöchigen Aufenthalt in Hongkong brach die Expedition Anfang Januar 1875 auf, um ihre Route in südöstlicher Richtung nach Neuguinea zurückzuverfolgen. Die erste Station auf dieser Hinreise war Manila. Von dort aus ging es weiter nach Samboangan, wobei die Expedition eine andere Route durch das Innere der Philippinen nahm und dieses Mal die Insel Zebu ansteuerte. Von Samboangan aus wich das Schiff von der inneren Route ab und fuhr Anfang Februar 1875 südlich von Mindanao vorbei.
Die Challenger fuhr dann nach Osten auf das offene Meer hinaus, bevor sie nach Südosten abbog und in der Humboldt-Bucht (heute Yos Sudarso Bay) an der Nordküste Neuguineas an Land ging. Im März 1875 hatte die Expedition die Admiralitätsinseln nordöstlich von Neuguinea erreicht. Die letzte Etappe der Reise auf dieser Seite des Pazifiks war eine lange Reise über den offenen Ozean nach Norden, die größtenteils westlich der Karolinen und der Marianen vorbeiführte und im April 1875 den Hafen in Yokohama, Japan, erreichte.
Mitte Juni 1875 verließ die Challenger Japan und fuhr nach Osten über den Pazifik bis zu einem Punkt nördlich der Sandwich-Inseln (Hawaii), drehte dann nach Süden ab und landete Ende Juli in Honolulu auf der hawaiianischen Insel Oahu. Einige Wochen später, Mitte August, brach das Schiff in Richtung Südosten auf und ankerte in der Hilo-Bucht vor Hawaiis Big Island, bevor es weiter nach Süden fuhr und Mitte September Tahiti erreichte.
Die Expedition verließ Tahiti Anfang Oktober, schwenkte westlich und südlich der Tubuai-Inseln und fuhr dann nach Südosten, bevor sie nach Osten zur südamerikanischen Küste abbog. Mitte November 1875 erreichte die Route die Juan-Fernández-Inseln, und einige Tage später erreichte die Challenger den Hafen von Valparaiso in Chile. Die nächste Etappe der Reise begann im darauffolgenden Monat und führte das Schiff in südwestlicher Richtung zurück in den Pazifik, vorbei an den Juan-Fernández-Inseln, bevor es nach Südosten und zurück nach Südamerika abbog und am 31. Dezember 1875 Port Otway im Golf von Penas erreichte.
Den größten Teil des Januars 1876 verbrachte man damit, die Südspitze Südamerikas zu umfahren und viele Buchten und Inseln des patagonischen Archipels, der Magellanstraße und Feuerlands zu vermessen und anzulaufen. Zu den besuchten Orten gehören Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, alle in der Nähe von Wellington Island, Puerta Bueno in der Nähe von Hanover Island, Isthmus Bay in der Nähe des Queen Adelaide Archipels und Port Churruca in der Nähe von Santa Ines Island.
Die letzten Stationen, bevor sie in den Atlantik hinausfuhren, waren Port Famine, Sandy Point und Elizabeth Island. Die Challenger erreichte die Falklandinseln gegen Ende Januar, lief Port Stanley an und fuhr dann weiter nach Norden und erreichte Mitte Februar 1876 Montevideo in Uruguay. Ende Februar verließ das Schiff Montevideo und fuhr zunächst nach Osten und dann nach Norden, um Ende März 1876 die Insel Ascension zu erreichen.
Von Anfang bis Mitte April segelte die Challenger von Ascension zu den Kapverdischen Inseln. Von hier aus führte die Route Ende April und Anfang Mai 1876 in einer Schleife westwärts nach Norden in den mittleren Atlantik, um schließlich nach Osten in Richtung Europa abzubiegen und gegen Ende Mai in Vigo in Spanien an Land zu gehen. Die letzte Etappe der Reise führte das Schiff und seine Besatzung von Vigo aus in nordöstlicher Richtung, um den Golf von Biskaya zu umfahren und in England an Land zu gehen. Die Challenger kehrte am 24. Mai 1876 nach Spithead, Hampshire, zurück, nachdem sie 713 der insgesamt 1.250 Tage auf See verbracht hatte.