Matkallaan 68,890 meripeninkulman (79,280 mi; 127 580 km:n) matkalla maapallon ympäri tehtiin 492 syvänmeren luotausta, 133 pohjaharavointia, 151 avovesitroolausta ja 263 veden lämpötilan sarjahavaintoa. Noin 4700 uutta merieläinlajia löydettiin.
Tieteellisen työn tekivät Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley ja Rudolf von Willemoes-Suhm. Prosaattoriksi nimitettiin Frank Evers Bed. Retkikunnan virallisena taiteilijana toimi John James Wild. Naresin ja Maclearin lisäksi laivaväkeen kuuluivat muun muassa Pelham Aldrich, George Granville Campbell ja Andrew Francis Balfour (yksi skotlantilaisen kasvitieteilijä John Hutton Balfourin pojista). Upseerien joukossa oli myös Thomas Henry Tizard, joka oli tehnyt tärkeitä hydrografisia havaintoja aiemmilla matkoillaan. Vaikka hän ei kuulunut tieteelliseen siviilihenkilökuntaan, Tizard auttoi myöhemmin kirjoittamaan virallisen raportin retkikunnasta, ja hänestä tuli myös Royal Societyn jäsen.
Alun perin laivaan kuului 21 upseeria ja noin 216 miehistön jäsentä. Matkan loppuun mennessä määrä oli pienentynyt 144:ään, mikä johtui kuolemantapauksista, karkuruudesta, henkilökunnan jättämisestä maihin sairauden vuoksi ja suunnitelluista lähdöistä.
Challenger saavutti Hongkongin joulukuussa 1874, jolloin Nares ja Aldrich lähtivät alukselta osallistuakseen Britannian arktiseen retkikuntaan. Uusi kapteeni oli Frank Tourle Thomson. Komentajan sijainen ja koko retkikunnan ajan läsnä ollut vanhin upseeri oli komentaja John Maclear. Willemoes-Suhm kuoli ja haudattiin merelle matkalla Tahitille. Lordit Campbell ja Balfour jättivät aluksen Valparaisossa Chilessä ylennyksen jälkeen.
Retkikunnan ensimmäinen etappi vei aluksen Portsmouthista (joulukuu 1872) etelään Lissaboniin (tammikuu 1873) ja edelleen Gibraltarille. Seuraavat pysähdyspaikat olivat Madeira ja Kanariansaaret (molemmat helmikuussa 1873). Helmikuusta heinäkuuhun 1873 kului aikaa Atlantin ylittämiseen länteen Kanariansaarilta Neitsytsaarille, sitten pohjoiseen Bermudalle, itään Azoreille, takaisin Madeiralle ja sitten etelään Kap Verden saarille. Tänä aikana tehtiin huhti- ja toukokuussa 1873 kiertomatka, jossa purjehdittiin Bermudalta pohjoiseen Halifaxiin ja takaisin, jolloin Golfvirta ylitettiin kahdesti ja paluumatkalla kuljettiin kauemmas itään.
Lähdettyään Kap Verden saarilta elokuussa 1873 retkikunta purjehti aluksi kaakkoon ja suuntasi sen jälkeen länteen saavuttaakseen Pyhän Paavalin kalliot. Sieltä matka jatkui etelään päiväntasaajan yli Fernando de Noronhaan syyskuussa 1873 ja edelleen samassa kuussa Bahiaan (nykyisin Salvador) Brasiliaan. Syyskuusta lokakuuhun 1873 kului Atlantin ylitys Bahiasta Hyvän toivon niemelle, ja matkan varrella koskettiin Tristan da Cunhaa.
Joulukuusta 1873 helmikuuhun 1874 purjehti suurin piirtein kaakkoisreittiä Hyvän toivon niemestä 60 asteen etelänpuoleiselle leveyspiirille. Tänä aikana vierailtiin Prince Edwardin saarilla, Crozetin saarilla, Kerguelenin saarilla ja Heardin saarella. Helmikuu 1874 kului etelään ja sen jälkeen yleensä itään Etelämantereen ympyrän läheisyydessä, jossa nähtiin jäävuoria, pakkausjäätä ja valaita. Maaliskuussa 1874 reitti vei aluksen koilliseen ja pois jääalueilta, ja retkikunta saavutti Australian Melbournen myöhemmin samassa kuussa. Matka itään rannikkoa pitkin Melbournesta Sydneyhin tapahtui huhtikuussa 1874 ohittaen Wilsons Promontoryn ja Cape Howen.
Kun matka jatkui kesäkuussa 1874, reitti kulki Sydneystä itään Uuden-Seelannin Wellingtoniin, jota seurasi suuri kierros pohjoiseen Tyynellämerellä, jossa käytiin vierailulla Tongalla ja Fidžillä, minkä jälkeen palattiin takaisin länteen elokuun loppupuolelle Australiaan Cape Yorkiin. Alus saapui Uuteen-Seelantiin kesäkuun lopulla ja lähti heinäkuun alussa. Ennen Wellingtoniin (Uuden-Seelannin Pohjoissaarella) saapumista pysähdyttiin lyhyesti Port Hardyssa (d’Urville-saarella) ja Queen Charlotte Soundissa, ja Challenger kulki Cookin salmen läpi saavuttaakseen Wellingtonin.
Reitti Wellingtonista Tongaan kulki Uuden-Seelannin Pohjoissaaren itärannikkoa pitkin ja sen jälkeen pohjoiseen ja itään avoimeen Tyyneenmereen ohittaen Kermadec-saaret matkalla Tongatabuun, joka on Tongan saariston (joka tuolloin kutsuttiin nimellä Ystävälliset saaret) pääsaari. Lyhyen matkan päässä Tongasta luoteeseen sijaitsevia Fidžin saaria ympäröivät vedet tutkittiin heinäkuun lopulla ja elokuun alussa vuonna 1874. Sen jälkeen aluksen kurssi asetettiin länteen, ja se saavutti elokuun lopussa Suuren valliriutan ulkoreunalla sijaitsevan Raine-saaren ja saapui sieltä Cape Yorkiin, joka sijaitsee Australian Cape Yorkin niemimaan kärjessä.
Seuraavien kolmen kuukauden aikana, syyskuusta marraskuuhun 1874, retkikunta vieraili useilla saarilla ja saariryhmillä purjehtiessaan Cape Yorkista Kiinaan ja Hongkongiin (joka oli tuolloin Britannian siirtomaa). Reitin ensimmäinen osa kulki pohjoiseen ja länteen Arafura-meren yli, koillisessa oli Uusi-Guinea ja lounaassa Australian mantere. Ensimmäiset saaret, joilla vierailtiin, olivat Aru-saaret, joita seurasivat läheiset Kai-saaret. Sen jälkeen alus ylitti Bandanmeren koskettamalla Banda-saaria saavuttaakseen Amboinan (Ambonin saaren) lokakuussa 1874 ja jatkaen sitten Ternaten saarelle. Kaikki nämä saaret ovat nykyään osa Indonesiaa.
Ternatesta reitti kulki luoteeseen kohti Filippiinejä ja kulki Celebesin (Sulawesi) itäpuolella Celebesin merelle. Retkikunta kävi Samboanganissa (Zamboanga) Mindanaolla ja sitten Iloilossa Panayn saarella ennen kuin se navigoi saariston sisäosissa matkalla Luzonin saarella sijaitsevaan Manilan lahteen ja satamaan. Matka Manilasta luoteeseen Hongkongiin tapahtui marraskuussa 1874.
Kolmen Hongkongissa vietetyn viikon jälkeen retkikunta lähti tammikuun alussa 1875 palaamaan reittiä kaakkoon kohti Uutta-Guineaa. Ensimmäinen pysähdyspaikka tällä matkan loppuosuudella oli Manila. Sieltä he jatkoivat matkaa Samboanganiin, mutta kulkivat erilaista reittiä Filippiinien sisäosien läpi, ja tällä kertaa he saapuivat Zebun saarelle. Samboanganista alus poikkesi sisääntuloreitiltä, tällä kertaa kulkien Mindanaon eteläpuolella helmikuun alussa 1875.
Challenger suuntasi sitten itään avomerelle, ennen kuin se kääntyi kaakkoon ja laskeutui maihin Humboldtin lahdelle (nykyään Yos Sudarson lahti) Uuden-Guinean pohjoisrannikolla. Maaliskuuhun 1875 mennessä retkikunta oli saavuttanut Uuden-Guinean koillispuolella sijaitsevat Admiraliteettisaaret. Matkan viimeinen vaihe Tyynenmeren tällä puolella oli pitkä matka avomeren halki pohjoiseen, joka kulki enimmäkseen Karoliinisaarten ja Mariana-saarten länsipuolella, ja se saavutti sataman Japanin Yokohamassa huhtikuussa 1875.
Challenger lähti Japanista kesäkuun 1875 puolivälissä, suuntasi itään Tyynenmeren poikki pisteeseen, joka sijaitsi Sandwich-saarten (Havaiji) pohjoispuolella, kääntyi sen jälkeen etelään ja laskeutui maihin heinäkuun lopussa Honoluluun Havaijin Oahun saarella. Pari viikkoa myöhemmin, elokuun puolivälissä, alus lähti kaakkoon, ankkuroitui Hilo Bayhin Havaijin Ison saaren edustalla, jatkoi etelään ja saapui Tahitille syyskuun puolivälissä.
Retkikunta lähti Tahitilta lokakuun alussa, kiersi Tubuai-saarten länsi- ja eteläpuolelle ja suuntasi sen jälkeen kaakkoon, ennen kuin se kääntyi itään päin kohti Etelä-Amerikan rannikkoa. Reitti kosketti Juan Fernándezin saaria marraskuun 1875 puolivälissä, ja Challenger saavutti Valparaison sataman Chilessä muutamaa päivää myöhemmin. Matkan seuraava vaihe alkoi seuraavassa kuussa, ja reitti vei aluksen lounaaseen takaisin Tyynellemerelle, ohi Juan Fernándezin saarten, ennen kuin se kääntyi kaakkoon ja palasi takaisin kohti Etelä-Amerikkaa saavuttaen Port Otwayn Penasinlahdella 31. joulukuuta 1875.
Suurin osa vuoden 1876 tammikuusta kului Etelä-Amerikan eteläkärjen kiertämiseen, jossa kartoitettiin ja kosketettiin monia Patagonian saariston lahtia ja saaria, Magellaninsalmea ja Tierra del Fuegoa. Paikkoja, joissa vierailtiin, olivat Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, kaikki Wellingtonin saaren läheisyydessä, Puerta Bueno lähellä Hanoverin saarta, Isthmus Bay lähellä Queen Adelaiden saaristoa ja Port Churruca lähellä Santa Inesin saarta.
Viimeiset pysähdyspaikat, ennen kuin suuntasimme Atlantille, olivat Port Famine, Sandy Point ja Elizabeth Island. Challenger saavutti Falklandinsaaret tammikuun loppupuolella, kävi Port Stanleyssä ja jatkoi sitten pohjoiseen saavuttaen Montevideon Uruguayssa helmikuun 1876 puolivälissä. Alus lähti Montevideosta helmikuun lopussa, suuntasi ensin itään ja sitten pohjoiseen ja saapui Ascension-saarelle maaliskuun lopussa 1876.
Huhtikuun alusta huhtikuun puoliväliin kului aika purjehtimalla Ascension-saarelta Kap Verden saarille. Sieltä huhtikuun lopulla ja toukokuun alussa 1876 kuljettu reitti oli länsisuuntainen silmukka pohjoiseen ulos Atlantin keskiosaan ja kääntyi lopulta suoraan itään kohti Eurooppaa koskettaakseen maata Vigossa Espanjassa toukokuun loppupuolella. Matkan viimeinen vaihe vei aluksen ja sen miehistön Vigosta koilliseen, ohitti Biskajanlahden ja rantautui Englantiin. Challenger palasi Hampshiren Spitheadiin 24. toukokuuta 1876 vietettyään merellä 713 päivää 1 250 päivästä.