En su viaje de 68.890 millas náuticas (79.280 mi; 127.580 km), se realizaron 492 sondeos en aguas profundas, 133 dragas de fondo, 151 redes de arrastre en aguas abiertas y 263 observaciones en serie de la temperatura del agua. Se descubrieron unas 4.700 nuevas especies de vida marina.
El trabajo científico fue dirigido por Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley y Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed fue nombrado prosecretario. El artista oficial de la expedición fue John James Wild. Además de Nares y Maclear, formaban parte de la tripulación naval Pelham Aldrich, George Granville Campbell y Andrew Francis Balfour (uno de los hijos del botánico escocés John Hutton Balfour). También se encontraba entre los oficiales Thomas Henry Tizard, que había realizado importantes observaciones hidrográficas en viajes anteriores. Aunque no formaba parte del personal científico civil, Tizard ayudaría más tarde a escribir el relato oficial de la expedición, y también se convertiría en miembro de la Royal Society.
La dotación original del barco incluía 21 oficiales y unos 216 miembros de la tripulación. Al final del viaje, la tripulación se había reducido a 144 debido a las muertes, las deserciones, el personal que se quedó en tierra por enfermedad y las salidas planificadas.
El Challenger llegó a Hong Kong en diciembre de 1874, momento en el que Nares y Aldrich abandonaron el barco para participar en la Expedición Ártica Británica. El nuevo capitán era Frank Tourle Thomson. El segundo al mando, y el oficial de mayor rango presente durante toda la expedición, era el comandante John Maclear. Willemoes-Suhm murió y fue enterrado en el mar durante el viaje a Tahití. Los señores Campbell y Balfour abandonaron el barco en Valparaíso, Chile, tras ser ascendidos.
La primera etapa de la expedición llevó al barco desde Portsmouth (diciembre de 1872) hacia el sur hasta Lisboa (enero de 1873) y luego a Gibraltar. Las siguientes paradas fueron Madeira y las Islas Canarias (ambas en febrero de 1873). De febrero a julio de 1873 cruzó el Atlántico hacia el oeste, desde las Islas Canarias hasta las Islas Vírgenes, para luego dirigirse hacia el norte, a las Bermudas, hacia el este, a las Azores, de vuelta a Madeira, y luego hacia el sur, a las Islas de Cabo Verde. Durante este período, hubo un desvío en abril y mayo de 1873, navegando desde las Bermudas hacia el norte hasta Halifax y de vuelta, cruzando la Corriente del Golfo dos veces con el viaje inverso cruzando más hacia el este.
Después de dejar las Islas de Cabo Verde en agosto de 1873, la expedición navegó inicialmente hacia el sureste y luego se dirigió hacia el oeste para llegar a St Paul’s Rocks. A partir de aquí, la ruta se dirigió hacia el sur cruzando el ecuador hasta Fernando de Noronha durante septiembre de 1873, y a partir de ese mismo mes hasta Bahía (ahora llamada Salvador) en Brasil. El período de septiembre a octubre de 1873 lo pasó cruzando el Atlántico desde Bahía hasta el Cabo de Buena Esperanza, tocando en Tristán da Cunha en el camino.
De diciembre de 1873 a febrero de 1874 se dedicó a navegar por una ruta más o menos sudoriental desde el Cabo de Buena Esperanza hasta el paralelo de 60 grados sur. Las islas visitadas durante este período fueron las islas del Príncipe Eduardo, las islas Crozet, las islas Kerguelen y la isla Heard. El mes de febrero de 1874 lo pasó viajando hacia el sur y luego, en general, hacia el este, en las cercanías del Círculo Polar Antártico, con avistamientos de icebergs, hielo compacto y ballenas. En marzo de 1874, la ruta llevó al barco hacia el noreste y lejos de las regiones heladas, y la expedición llegó a Melbourne, en Australia, a finales de ese mes. El viaje hacia el este a lo largo de la costa de Melbourne a Sydney tuvo lugar en abril de 1874, pasando por Wilsons Promontory y Cape Howe.
Cuando el viaje se reanudó en junio de 1874, la ruta fue hacia el este desde Sidney hasta Wellington en Nueva Zelanda, seguido de un gran bucle hacia el norte en el Pacífico pasando por Tonga y Fiji, y luego de vuelta hacia el oeste hasta el Cabo York en Australia a finales de agosto. El barco llegó a Nueva Zelanda a finales de junio y partió a principios de julio. Antes de llegar a Wellington (en la Isla Norte de Nueva Zelanda), se hicieron breves paradas en Port Hardy (en la Isla d’Urville) y Queen Charlotte Sound y el Challenger pasó por el Estrecho de Cook para llegar a Wellington.
La ruta de Wellington a Tonga fue a lo largo de la costa este de la Isla Norte de Nueva Zelanda, y luego hacia el norte y el este en el Pacífico abierto, pasando por las Islas Kermadec en el camino a Tongatabu, la isla principal del archipiélago de Tonga (entonces conocido como las Islas Friendly). A finales de julio y principios de agosto de 1874, se inspeccionaron las aguas que rodean las islas Fiji, situadas a poca distancia al noroeste de Tonga. El rumbo del barco se fijó entonces hacia el oeste, llegando a la isla de Raine -en el borde exterior de la Gran Barrera de Coral- a finales de agosto y, desde allí, a Cabo York, en la punta de la península australiana de Cabo York.
Durante los tres meses siguientes, de septiembre a noviembre de 1874, la expedición visitó varias islas y grupos de islas mientras navegaba desde Cabo York hasta China y Hong Kong (entonces una colonia británica). La primera parte de la ruta pasó por el norte y el oeste del mar de Arafura, con Nueva Guinea al noreste y el continente australiano al suroeste. Las primeras islas visitadas fueron las islas Aru, seguidas de las cercanas islas Kai. A continuación, el barco cruzó el mar de Banda tocando en las islas Banda, para llegar a Amboina (isla de Ambon) en octubre de 1874, y continuar hasta la isla de Ternate. Todas estas islas forman ahora parte de Indonesia.
Desde Ternate, la ruta se dirigió hacia el noroeste en dirección a las Filipinas, pasando al este de Célebes (Sulawesi) en el mar de Célebes. La expedición hizo escala en Samboangan (Zamboanga), en Mindanao, y luego en Iloilo, en la isla de Panay, antes de navegar por el interior del archipiélago en ruta hacia la bahía y el puerto de Manila, en la isla de Luzón. La travesía hacia el noroeste de Manila a Hong Kong tuvo lugar en noviembre de 1874.
Tras varias semanas en Hong Kong, la expedición partió a principios de enero de 1875 para desandar su ruta hacia el sureste, en dirección a Nueva Guinea. La primera parada en esta etapa del viaje fue Manila. Desde allí, continuaron hasta Samboangan, pero tomaron una ruta diferente por el interior de Filipinas, llegando esta vez a la isla de Zebu. Desde Samboangan, el barco se desvió de la ruta interior, pasando esta vez al sur de Mindanao, a principios de febrero de 1875.
El Challenger se dirigió entonces hacia el este, en mar abierto, antes de girar hacia el sureste y tocar tierra en la bahía de Humboldt (actual bahía de Yos Sudarso), en la costa norte de Nueva Guinea. En marzo de 1875, la expedición había llegado a las islas del Almirantazgo, al noreste de Nueva Guinea. La etapa final del viaje en este lado del Pacífico fue un largo viaje a través del océano abierto hacia el norte, pasando principalmente al oeste de las Islas Carolinas y las Islas Marianas, llegando a puerto en Yokohama, Japón, en abril de 1875.
El Challenger partió de Japón a mediados de junio de 1875, dirigiéndose hacia el este a través del Pacífico hasta un punto situado al norte de las islas Sándwich (Hawái), y girando después hacia el sur, tocando tierra a finales de julio en Honolulu, en la isla hawaiana de Oahu. Un par de semanas más tarde, a mediados de agosto, el barco partió hacia el sureste, fondeando en la bahía de Hilo, frente a la Isla Grande de Hawai, antes de continuar hacia el sur y llegar a Tahití a mediados de septiembre.
La expedición partió de Tahití a principios de octubre, virando hacia el oeste y el sur de las islas Tubuai y luego se dirigió al sureste antes de girar hacia el este en dirección a la costa sudamericana. La ruta tocó las islas Juan Fernández a mediados de noviembre de 1875, y el Challenger llegó al puerto de Valparaíso en Chile unos días después. La siguiente etapa del viaje comenzó el mes siguiente, con la ruta que llevaba al barco hacia el suroeste de nuevo en el Pacífico, pasando por las Islas Juan Fernández, antes de girar hacia el sureste y volver a Sudamérica, llegando a Puerto Otway en el Golfo de Penas el 31 de diciembre de 1875.
La mayor parte del mes de enero de 1876 la pasó navegando alrededor del extremo sur de Sudamérica, inspeccionando y tocando en muchas de las bahías e islas del archipiélago patagónico, el estrecho de Magallanes y Tierra del Fuego. Entre los lugares visitados se encuentran Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, todos ellos en las proximidades de la isla Wellington; Puerta Bueno, cerca de la isla Hannover; Isthmus Bay, cerca del archipiélago Reina Adelaida; y Port Churruca, cerca de la isla Santa Inés.
Las últimas paradas, antes de adentrarse en el Atlántico, fueron Port Famine, Sandy Point y la isla Elizabeth. El Challenger llegó a las Islas Malvinas hacia finales de enero, haciendo escala en Puerto Stanley y luego continuando hacia el norte, llegando a Montevideo en Uruguay a mediados de febrero de 1876. El barco salió de Montevideo a finales de febrero, dirigiéndose primero hacia el este y luego hacia el norte, llegando a la isla de la Ascensión a finales de marzo de 1876.
El período comprendido entre principios y mediados de abril lo pasó navegando desde la isla de la Ascensión hasta las islas de Cabo Verde. Desde aquí, la ruta tomada a finales de abril y principios de mayo de 1876 fue un bucle hacia el oeste, hacia el norte y hacia el Atlántico medio, girando finalmente hacia el este, hacia Europa, para tocar tierra en Vigo, en España, hacia finales de mayo. La última etapa del viaje llevó al barco y a su tripulación hacia el noreste desde Vigo, bordeando el Golfo de Vizcaya para tocar tierra en Inglaterra. El Challenger regresó a Spithead, Hampshire, el 24 de mayo de 1876, habiendo pasado 713 días de los 1.250 que duró el viaje en el mar.