Lors de son périple de 68 890 milles nautiques (79 280 mi ; 127 580 km) en faisant le tour du monde, 492 sondages en eaux profondes, 133 dragues de fond, 151 chaluts en eaux libres et 263 observations sérielles de la température de l’eau ont été effectués. Environ 4 700 nouvelles espèces de vie marine ont été découvertes.
Le travail scientifique a été mené par Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley et Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed a été nommé prosecteur. L’artiste officiel de l’expédition était John James Wild. Outre Nares et Maclear, d’autres personnes font partie de l’équipage naval, notamment Pelham Aldrich, George Granville Campbell et Andrew Francis Balfour (l’un des fils du botaniste écossais John Hutton Balfour). Parmi les officiers se trouvait également Thomas Henry Tizard, qui avait effectué d’importantes observations hydrographiques lors de voyages précédents. Bien qu’il ne fasse pas partie du personnel scientifique civil, Tizard participera plus tard à la rédaction du récit officiel de l’expédition, et deviendra également membre de la Royal Society.
L’effectif initial du navire comprenait 21 officiers et environ 216 membres d’équipage. À la fin du voyage, ce nombre avait été réduit à 144 en raison de décès, de désertions, de personnel laissé à terre pour cause de maladie et de départs planifiés.
Challenger a atteint Hong Kong en décembre 1874, moment où Nares et Aldrich ont quitté le navire pour prendre part à l’expédition arctique britannique. Le nouveau capitaine est Frank Tourle Thomson. Le commandant en second, et l’officier le plus haut gradé présent pendant toute l’expédition, est le commandant John Maclear. Willemoes-Suhm meurt et est enterré en mer lors du voyage vers Tahiti. Les lords Campbell et Balfour quittèrent le navire à Valparaiso, au Chili, après avoir été promus.
La première étape de l’expédition a conduit le navire de Portsmouth (décembre 1872) vers le sud jusqu’à Lisbonne (janvier 1873), puis jusqu’à Gibraltar. Les escales suivantes ont été Madère et les îles Canaries (toutes deux en février 1873). La période de février à juillet 1873 a été consacrée à la traversée de l’Atlantique vers l’ouest, des îles Canaries aux îles Vierges, puis vers le nord jusqu’aux Bermudes, vers l’est jusqu’aux Açores, de retour à Madère, puis vers le sud jusqu’aux îles du Cap-Vert. Au cours de cette période, il y a eu un détour en avril et mai 1873, naviguant des Bermudes vers le nord jusqu’à Halifax et retour, traversant le Gulf Stream deux fois avec le voyage inverse traversant plus à l’est.
Après avoir quitté les îles du Cap-Vert en août 1873, l’expédition a d’abord navigué vers le sud-est, puis s’est dirigée vers l’ouest pour atteindre St Paul’s Rocks. De là, elle a traversé l’équateur vers le sud pour atteindre Fernando de Noronha en septembre 1873, puis, le même mois, Bahia (aujourd’hui Salvador) au Brésil. La période de septembre à octobre 1873 est consacrée à la traversée de l’Atlantique de Bahia au cap de Bonne-Espérance, touchant Tristan da Cunha en cours de route.
Décembre 1873 à février 1874 a été passé à naviguer sur une trajectoire grossièrement sud-est du cap de Bonne-Espérance au parallèle de 60 degrés sud. Les îles visitées durant cette période sont les îles du Prince-Édouard, les îles Crozet, les îles Kerguelen et l’île Heard. Le mois de février 1874 est consacré à un voyage vers le sud, puis généralement vers l’est à proximité du cercle antarctique, avec des observations d’icebergs, de banquises et de baleines. En mars 1874, le navire se dirige vers le nord-est et s’éloigne des régions glacées. L’expédition atteint Melbourne en Australie plus tard dans le mois. Le voyage vers l’est le long de la côte de Melbourne à Sydney a eu lieu en avril 1874, en passant par le Promontoire de Wilsons et le Cap Howe.
Lorsque le voyage reprend en juin 1874, la route va vers l’est de Sydney à Wellington en Nouvelle-Zélande, suivie d’une grande boucle vers le nord dans le Pacifique en faisant escale aux Tonga et aux Fidji, puis revient vers l’ouest jusqu’au cap York en Australie à la fin du mois d’août. Le navire est arrivé en Nouvelle-Zélande fin juin et en est reparti début juillet. Avant d’atteindre Wellington (sur l’île du Nord de la Nouvelle-Zélande), de brèves escales ont été faites à Port Hardy (sur l’île d’Urville) et dans le détroit de la Reine-Charlotte et le Challenger a traversé le détroit de Cook pour atteindre Wellington.
La route de Wellington à Tonga longeait la côte est de l’île du Nord de la Nouvelle-Zélande, puis le nord et l’est dans le Pacifique ouvert, passant par les îles Kermadec en route vers Tongatabu, l’île principale de l’archipel de Tonga (alors connu sous le nom d’îles Friendly). Les eaux autour des îles Fidji, situées à une courte distance au nord-ouest de Tonga, ont été sondées fin juillet et début août 1874. Le cap du navire a ensuite été fixé vers l’ouest, atteignant l’île Raine – sur le bord extérieur de la Grande Barrière de Corail – à la fin du mois d’août et, de là, arrivant au Cap York, à l’extrémité de la péninsule australienne du Cap York.
Au cours des trois mois suivants, de septembre à novembre 1874, l’expédition a visité plusieurs îles et groupes d’îles tout en naviguant du Cap York vers la Chine et Hong Kong (alors colonie britannique). La première partie de la route passe au nord et à l’ouest de la mer d’Arafura, avec la Nouvelle-Guinée au nord-est et le continent australien au sud-ouest. Les premières îles visitées sont les îles Aru, suivies des îles Kai voisines. Le navire a ensuite traversé la mer de Banda en touchant les îles Banda, pour atteindre Amboina (île d’Ambon) en octobre 1874, et continuer ensuite vers l’île de Ternate. Toutes ces îles font aujourd’hui partie de l’Indonésie.
De Ternate, la route s’est dirigée vers le nord-ouest en direction des Philippines, passant à l’est de Célèbes (Sulawesi) dans la mer de Célèbes. L’expédition fit escale à Samboangan (Zamboanga) sur Mindanao, puis à Iloilo sur l’île de Panay, avant de naviguer à l’intérieur de l’archipel en route vers la baie et le port de Manille sur l’île de Luzon. La traversée vers le nord-ouest de Manille à Hong Kong a lieu en novembre 1874.
Après plusieurs semaines à Hong Kong, l’expédition repart début janvier 1875 pour retracer sa route vers le sud-est en direction de la Nouvelle-Guinée. La première étape de ce voyage aller fut Manille. De là, ils ont continué jusqu’à Samboangan, mais ont pris une route différente à travers l’intérieur des Philippines, cette fois en touchant l’île de Zebu. À partir de Samboangan, le navire s’est écarté de la route intérieure, passant cette fois au sud de Mindanao au début du mois de février 1875.
Challenger s’est ensuite dirigé vers l’est en pleine mer, avant de tourner au sud-est et de toucher terre à la baie de Humboldt (aujourd’hui baie de Yos Sudarso) sur la côte nord de la Nouvelle-Guinée. En mars 1875, l’expédition avait atteint les îles de l’Amirauté au nord-est de la Nouvelle-Guinée. La dernière étape du voyage de ce côté du Pacifique a été un long voyage en plein océan vers le nord, passant principalement à l’ouest des îles Caroline et des îles Mariannes, pour atteindre le port de Yokohama, au Japon, en avril 1875.
Challenger a quitté le Japon à la mi-juin 1875, se dirigeant vers l’est à travers le Pacifique jusqu’à un point situé au nord des îles Sandwich (Hawaï), puis tournant vers le sud, touchant terre à la fin du mois de juillet à Honolulu sur l’île hawaïenne d’Oahu. Quelques semaines plus tard, à la mi-août, le navire est parti vers le sud-est, mouillant dans la baie de Hilo, au large de la Grande île d’Hawaï, avant de continuer vers le sud et d’atteindre Tahiti à la mi-septembre.
L’expédition a quitté Tahiti au début d’octobre, oscillant à l’ouest et au sud des îles Tubuai, puis se dirigeant vers le sud-est avant de tourner vers l’est en direction de la côte sud-américaine. La route a touché les îles Juan Fernández à la mi-novembre 1875, et Challenger a atteint le port de Valparaiso au Chili quelques jours plus tard. L’étape suivante du voyage a commencé le mois suivant, la route ramenant le navire vers le sud-ouest dans le Pacifique, au-delà des îles Juan Fernández, avant de tourner vers le sud-est et de revenir vers l’Amérique du Sud, atteignant Port Otway dans le golfe de Penas le 31 décembre 1875.
La majeure partie du mois de janvier 1876 est passée à naviguer autour de la pointe sud de l’Amérique du Sud, à arpenter et à toucher de nombreuses baies et îles de l’archipel de Patagonie, du détroit de Magellan et de la Terre de Feu. Les endroits visités ici comprennent Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, tous dans les environs de l’île Wellington ; Puerta Bueno, près de l’île Hanover ; Isthmus Bay, près de l’archipel Queen Adelaide ; et Port Churruca, près de l’île Santa Ines.
Les derniers arrêts, avant de se diriger vers l’Atlantique, étaient Port Famine, Sandy Point et l’île Elizabeth. Le Challenger a atteint les îles Malouines vers la fin du mois de janvier, faisant escale à Port Stanley, puis a continué vers le nord, atteignant Montevideo en Uruguay à la mi-février 1876. Le navire quitte Montevideo à la fin du mois de février, se dirigeant d’abord vers l’est puis vers le nord, pour arriver à l’île de l’Ascension à la fin du mois de mars 1876.
La période du début à la mi-avril est consacrée à la navigation de l’île de l’Ascension vers les îles du Cap-Vert. De là, la route empruntée à la fin du mois d’avril et au début du mois de mai 1876 a consisté en une boucle vers l’ouest au nord jusqu’au milieu de l’Atlantique, pour finalement tourner plein est vers l’Europe et toucher terre à Vigo en Espagne vers la fin du mois de mai. La dernière étape du voyage a conduit le navire et son équipage vers le nord-est de Vigo, longeant le Golfe de Gascogne pour toucher terre en Angleterre. Le Challenger est retourné à Spithead, dans le Hampshire, le 24 mai 1876, après avoir passé 713 jours sur les 1250 passés en mer.