A 68.890 tengeri mérföldes (79.280 mi; 127 580 km) földkörüli útja során 492 mélytengeri szondázást, 133 fenékkotrást, 151 nyíltvízi vonóhálós mérést és 263 sorozatos vízhőmérséklet-megfigyelést végeztek. A tengeri élővilág mintegy 4700 új faját fedezték fel.
A tudományos munkát Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley és Rudolf von Willemoes-Suhm végezte. Frank Evers Bedet nevezték ki prorektornak. Az expedíció hivatalos művésze John James Wild volt. Nares és Maclear mellett többek között Pelham Aldrich, George Granville Campbell és Andrew Francis Balfour (John Hutton Balfour skót botanikus egyik fia) is tagja volt a hajószemélyzetnek. A tisztek között volt Thomas Henry Tizard is, aki korábbi útjain fontos hidrográfiai megfigyeléseket végzett. Bár nem tartozott a civil tudományos személyzethez, Tizard később segített megírni az expedíció hivatalos beszámolóját, és a Royal Society tagja is lett.
A hajó eredeti létszáma 21 tiszt és mintegy 216 fős legénység volt. Az út végére ez a létszám 144 főre csökkent a halálesetek, dezertálások, a személyzet betegség miatti parton maradása és a tervezett távozások miatt.
A Challenger 1874 decemberében érte el Hongkongot, ekkor Nares és Aldrich elhagyta a hajót, hogy részt vegyen a brit sarkvidéki expedícióban. Az új kapitány Frank Tourle Thomson lett. A parancsnokhelyettes, és az egész expedíció alatt jelen lévő legidősebb tiszt John Maclear parancsnok volt. Willemoes-Suhm a Tahiti felé tartó út során halt meg és temették el a tengeren. Campbell és Balfour lordok a chilei Valparaisóban hagyták el a hajót, miután előléptették őket.
Az expedíció első szakasza Portsmouthból (1872. december) délre, Lisszabonba (1873. január), majd Gibraltárba vezetett. A következő állomások Madeira és a Kanári-szigetek voltak (mindkettő 1873 februárjában). Az 1873 februárjától júliusáig tartó időszakot azzal töltötték, hogy a Kanári-szigetekről nyugat felé átkeltek az Atlanti-óceánon a Virgin-szigetekre, majd észak felé a Bermudákra, kelet felé az Azori-szigetekre, vissza Madeirára, majd dél felé a Zöld-foki szigetekre. Ebben az időszakban 1873 áprilisában és májusában egy kitérőt tettek, a Bermudákról észak felé hajózva Halifaxba és vissza, kétszer keresztezve a Golf-áramlatot, a fordított út pedig keletebbre vezetett.
A Zöld-foki szigetek 1873. augusztusi elhagyása után az expedíció kezdetben délkelet felé hajózott, majd nyugat felé vette az irányt, hogy elérje a Szent Pál-sziklákat. Innen az útvonal 1873 szeptemberében dél felé vezetett az Egyenlítőn át Fernando de Noronhára, majd még ugyanabban a hónapban tovább a brazíliai Bahia (mai nevén Salvador) felé. Az 1873 szeptembere és októbere közötti időszakot az Atlanti-óceánon való átkeléssel töltötte Bahiától a Jóreménység-fokig, útközben érintve Tristan da Cunhát.
1873 decembere és 1874 februárja között nagyjából délkeleti irányban hajózott a Jóreménység-foktól a déli 60. szélességi fokig. Az ebben az időszakban meglátogatott szigetek a Prince Edward-szigetek, a Crozet-szigetek, a Kerguelen-szigetek és a Heard-sziget voltak. 1874 februárjában dél felé, majd általában kelet felé haladtak az Antarktiszi Kör közelében, ahol jéghegyeket, csomagjeget és bálnákat láttak. Az útvonal aztán 1874 márciusában északkelet felé, a jégvidékektől távolabb vezetett, és az expedíció még ebben a hónapban elérte az ausztráliai Melbourne-t. A Melbourne-ből Sydneybe vezető, kelet felé vezető út a part mentén 1874 áprilisában zajlott, elhaladva a Wilsons Promontory és a Howe-fok mellett.
Az út 1874 júniusában folytatódott, az útvonal Sydneyből kelet felé az új-zélandi Wellingtonba vezetett, majd egy nagy hurok következett észak felé a Csendes-óceánban, ahol meglátogatták Tongát és a Fidzsi-szigeteket, majd augusztus végére vissza nyugat felé az ausztráliai Cape Yorkba. A hajó június végén érkezett Új-Zélandra, és július elején indult vissza. Mielőtt elérte volna Wellingtont (Új-Zéland északi szigetén), rövid megállásokat tett Port Hardyban (a d’Urville-szigeten) és a Queen Charlotte Soundban, majd a Challenger áthaladt a Cook-szoroson, hogy elérje Wellingtont.
A Wellingtonból Tongába vezető útvonal Új-Zéland északi szigetének keleti partja mentén haladt, majd északra és keletre a nyílt Csendes-óceánon, elhaladt a Kermadec-szigetek mellett Tongatabu, a Tonga-szigetcsoport fő szigete (akkoriban a Barátság-szigetek néven ismert) felé vezető úton. A Tongától északnyugatra fekvő Fidzsi-szigetek körüli vizeket 1874. július végén és augusztus elején mérték fel. Ezután a hajó útját nyugat felé vették, és augusztus végén elérték a Raine-szigetet – a Nagy-korallzátony külső peremén -, majd onnan Cape Yorkba érkeztek, az ausztráliai Cape York-félsziget csúcsára.
A következő három hónapban, 1874 szeptemberétől novemberéig az expedíció számos szigetet és szigetcsoportot meglátogatott, miközben Cape Yorkból Kínába és Hongkongba (akkor brit gyarmat) hajózott. Az útvonal első része észak és nyugat felé haladt az Arafura-tenger felett, északkeletre Új-Guinea, délnyugatra pedig az ausztrál szárazföld volt. Az első felkeresett szigetek az Aru-szigetek voltak, majd a közeli Kai-szigetek következtek. Ezután a hajó átkelt a Banda-tengeren, érintve a Banda-szigeteket, hogy 1874 októberében elérje Amboina (Ambon-sziget), majd továbbhaladjon a Ternate-szigetre. Mindezek a szigetek ma Indonézia részei.
Ternatétól északnyugat felé, a Fülöp-szigetek felé haladt az útvonal, Celebes (Sulawesi) szigetétől keletre haladva a Celebesi-tengerbe. Az expedíció meglátogatta Samboangant (Zamboanga) Mindanaón, majd Iloilót Panay szigetén, mielőtt a szigetvilág belsejében hajózott volna útban a Luzon szigetén lévő Manila öble és kikötője felé. Az átkelésre északnyugat felé Manilából Hongkongba 1874 novemberében került sor.
A Hong Kongban töltött néhány hét után az expedíció 1875. január elején indult el, hogy délkelet felé, Új-Guinea felé folytassa útját. Az út első állomása ezen az útvonalon Manila volt. Innen Samboanganba folytatták útjukat, de más útvonalon haladtak a Fülöp-szigetek belsején keresztül, ezúttal Zebu szigetét érintve. Samboanganból a hajó letért a befelé vezető útról, ezúttal Mindanaótól délre haladt el 1875. február elején.
A Challenger ezután kelet felé vette az irányt a nyílt tengeren, majd délkelet felé fordult, és Új-Guinea északi partjainál, a Humboldt-öbölben (ma Yos Sudarso Bay) kötött ki. 1875 márciusára az expedíció elérte az Új-Guineától északkeletre fekvő Admiralitás-szigeteket. Az út utolsó szakasza a Csendes-óceánnak ezen az oldalán a nyílt óceánon észak felé vezető hosszú út volt, amely többnyire a Karolina-szigetektől és a Mariana-szigetektől nyugatra haladt el, és 1875 áprilisában a japán Yokohama kikötőjébe ért.
A Challenger 1875. június közepén hagyta el Japánt, kelet felé haladt a Csendes-óceánon át a Sandwich-szigetektől (Hawaii) északra eső pontig, majd délnek fordult, és július végén kötött ki Honoluluban, a hawaii Oahu szigeten. Néhány héttel később, augusztus közepén a hajó délkeleti irányba indult, és a Hawaii Nagy-szigeténél lévő Hilo-öbölben horgonyzott le, majd folytatta útját dél felé, és szeptember közepén elérte Tahitit.
Az expedíció október elején hagyta el Tahitit, a Tubuai-szigetektől nyugatra és délre fordult, majd délkelet felé vette az irányt, mielőtt kelet felé fordult a dél-amerikai partok felé. Az útvonal 1875. november közepén érintette a Juan Fernández-szigeteket, a Challenger pedig néhány nappal később érte el a chilei Valparaiso kikötőjét. Az út következő szakasza a következő hónapban kezdődött, az útvonal délnyugati irányba vitte a hajót vissza a Csendes-óceánba, a Juan Fernández-szigetek mellett, majd délkeleti irányba fordult vissza Dél-Amerika felé, és 1875. december 31-én érte el a Penas-öbölben lévő Port Otwayt.
1876 januárjának nagy részét Dél-Amerika déli csücske körüli hajózással töltötte, felmérve és érintve a patagóniai szigetvilág számos öblét és szigetét, a Magellán-szorost és a Tűzföldet. Az itt felkeresett helyszínek közé tartozik Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, mind a Wellington-sziget közelében; Puerta Bueno, a Hannover-sziget közelében; Isthmus Bay, az Adelaide királynő szigetcsoport közelében; és Port Churruca, a Santa Ines-sziget közelében.
A végső megállók, mielőtt elindultak volna az Atlanti-óceánra, Port Famine, Sandy Point és az Elizabeth-sziget voltak. A Challenger január vége felé érte el a Falkland-szigeteket, kikötött Port Stanley-ben, majd továbbhaladt észak felé, és 1876 február közepén elérte az uruguayi Montevideót. A hajó február végén hagyta el Montevideót, először kelet felé, majd észak felé vette az irányt, és 1876. március végén érkezett meg az Ascension-szigetre.
Az április elejétől április közepéig tartó időszakot az Ascension-szigetről a Zöld-foki szigetekre való hajózással töltötte. Innen az 1876. április végén és május elején megtett útvonal egy nyugati hurok volt észak felé, ki az Atlanti-óceán közepére, végül kelet felé fordult Európa felé, hogy május vége felé a spanyolországi Vigóban partot érjen. Az út utolsó szakasza Vigótól északkelet felé vitte a hajót és legénységét, megkerülve a Vizcayai-öblöt, hogy Angliában köt ki. A Challenger 1876. május 24-én tért vissza a hampshire-i Spitheadbe, miután a közbeeső 1250 napból 713 napot a tengeren töltött.