Nel suo viaggio di 68.890 miglia nautiche (79.280 mi; 127.580 km) circumnavigando il globo, sono stati effettuati 492 scandagli di profondità, 133 draghe di fondo, 151 reti a strascico in mare aperto e 263 osservazioni seriali della temperatura dell’acqua. Furono scoperte circa 4.700 nuove specie di vita marina.
Il lavoro scientifico fu condotto da Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley e Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed fu nominato prorettore. L’artista ufficiale della spedizione fu John James Wild. Oltre a Nares e Maclear, altri che facevano parte dell’equipaggio navale erano Pelham Aldrich, George Granville Campbell e Andrew Francis Balfour (uno dei figli del botanico scozzese John Hutton Balfour). Tra gli ufficiali c’era anche Thomas Henry Tizard, che aveva effettuato importanti osservazioni idrografiche nei viaggi precedenti. Sebbene non facesse parte dello staff scientifico civile, Tizard avrebbe in seguito aiutato a scrivere il resoconto ufficiale della spedizione, diventando anche un membro della Royal Society.
L’equipaggio originale della nave comprendeva 21 ufficiali e circa 216 membri dell’equipaggio. Alla fine del viaggio, questo era stato ridotto a 144 a causa di morti, diserzioni, personale lasciato a terra per malattia e partenze programmate.
Challenger raggiunse Hong Kong nel dicembre 1874, a quel punto Nares e Aldrich lasciarono la nave per prendere parte alla British Arctic Expedition. Il nuovo capitano era Frank Tourle Thomson. Il secondo in comando, e l’ufficiale più anziano presente durante tutta la spedizione, era il comandante John Maclear. Willemoes-Suhm morì e fu sepolto in mare durante il viaggio verso Tahiti. I signori Campbell e Balfour lasciarono la nave a Valparaiso, Cile, dopo essere stati promossi.
La prima tappa della spedizione portò la nave da Portsmouth (dicembre 1872) a sud fino a Lisbona (gennaio 1873) e poi a Gibilterra. Le tappe successive furono Madeira e le Isole Canarie (entrambe febbraio 1873). Il periodo da febbraio a luglio 1873 fu trascorso attraversando l’Atlantico verso ovest dalle Canarie alle Isole Vergini, poi verso nord alle Bermuda, verso est alle Azzorre, di nuovo a Madeira, e poi verso sud alle Isole di Capo Verde. Durante questo periodo, ci fu una deviazione in aprile e maggio 1873, navigando da Bermuda a nord fino a Halifax e ritorno, attraversando la Corrente del Golfo due volte con il viaggio inverso attraversando più a est.
Dopo aver lasciato le Isole di Capo Verde nell’agosto 1873, la spedizione navigò inizialmente verso sud-est e poi si diresse a ovest per raggiungere St Paul’s Rocks. Da qui, la rotta è andata a sud attraverso l’equatore fino a Fernando de Noronha durante il settembre 1873, e avanti nello stesso mese fino a Bahia (ora chiamata Salvador) in Brasile. Il periodo da settembre a ottobre 1873 fu trascorso attraversando l’Atlantico da Bahia al Capo di Buona Speranza, toccando Tristan da Cunha sulla strada.
Dicembre 1873 a febbraio 1874 è stato trascorso navigando su una rotta approssimativamente sud-est dal Capo di Buona Speranza al parallelo di 60 gradi sud. Le isole visitate durante questo periodo furono le isole Prince Edward, le isole Crozet, le isole Kerguelen e l’isola Heard. Il febbraio 1874 fu trascorso viaggiando verso sud e poi generalmente verso est nelle vicinanze del Circolo Antartico, con avvistamenti di icebergs, pack ice e balene. La rotta ha poi portato la nave a nord-est e lontano dalle regioni di ghiaccio nel marzo 1874, con la spedizione che ha raggiunto Melbourne in Australia più tardi nello stesso mese. Il viaggio verso est lungo la costa da Melbourne a Sydney ebbe luogo nell’aprile 1874, passando per il Promontorio di Wilsons e Capo Howe.
Quando il viaggio riprese nel giugno 1874, la rotta andò ad est da Sydney a Wellington in Nuova Zelanda, seguita da un grande giro a nord nel Pacifico con scalo a Tonga e Fiji, e poi di nuovo ad ovest verso Cape York in Australia alla fine di agosto. La nave è arrivata in Nuova Zelanda alla fine di giugno ed è ripartita all’inizio di luglio. Prima di raggiungere Wellington (sull’isola nord della Nuova Zelanda), furono fatte brevi soste a Port Hardy (sull’isola d’Urville) e a Queen Charlotte Sound e la Challenger passò attraverso lo stretto di Cook per raggiungere Wellington.
La rotta da Wellington a Tonga andava lungo la costa orientale dell’isola nord della Nuova Zelanda, e poi a nord e a est nel Pacifico aperto, passando per le isole Kermadec in rotta verso Tongatabu, l’isola principale dell’arcipelago di Tonga (allora conosciuta come le isole amiche). Le acque intorno alle isole Figi, a breve distanza a nord-ovest di Tonga, furono rilevate tra la fine di luglio e l’inizio di agosto del 1874. La rotta della nave fu poi impostata verso ovest, raggiungendo Raine Island – il bordo esterno della Grande Barriera Corallina – alla fine di agosto e quindi arrivando a Cape York, sulla punta della penisola australiana di Cape York.
Nei tre mesi successivi, da settembre a novembre 1874, la spedizione visitò diverse isole e gruppi di isole mentre navigava da Cape York alla Cina e Hong Kong (allora colonia britannica). La prima parte della rotta passò a nord e a ovest del Mare di Arafura, con la Nuova Guinea a nord-est e la terraferma australiana a sud-ovest. Le prime isole visitate furono le Isole Aru, seguite dalle vicine Isole Kai. La nave attraversò poi il Mare di Banda toccando le Isole Banda, per raggiungere Amboina (Isola di Ambon) nell’ottobre 1874, per poi proseguire verso l’Isola di Ternate. Tutte queste isole fanno ora parte dell’Indonesia.
Da Ternate, la rotta andava a nord-ovest verso le Filippine, passando a est di Celebes (Sulawesi) nel Mare di Celebes. La spedizione fece scalo a Samboangan (Zamboanga) su Mindanao, e poi a Iloilo sull’isola di Panay, prima di navigare all’interno dell’arcipelago in rotta verso la baia e il porto di Manila sull’isola di Luzon. La traversata verso nord-ovest da Manila a Hong Kong ebbe luogo nel novembre 1874.
Dopo alcune settimane a Hong Kong, la spedizione partì all’inizio di gennaio 1875 per ripercorrere la sua rotta verso sud-est in direzione della Nuova Guinea. La prima tappa di questo viaggio di andata fu Manila. Da lì, hanno continuato fino a Samboangan, ma hanno preso una rotta diversa attraverso l’interno delle Filippine, questa volta toccando l’isola di Zebu. Da Samboangan la nave deviò dalla rotta interna, questa volta passando a sud di Mindanao, all’inizio di febbraio del 1875.
Challenger si diresse poi verso est in mare aperto, prima di girare a sud-est e approdare a Humboldt Bay (ora Yos Sudarso Bay) sulla costa nord della Nuova Guinea. Nel marzo 1875, la spedizione aveva raggiunto le isole Admiralty a nord-est della Nuova Guinea. La fase finale del viaggio su questo lato del Pacifico fu un lungo viaggio attraverso l’oceano aperto verso nord, passando per lo più a ovest delle Isole Caroline e delle Isole Marianne, raggiungendo il porto di Yokohama, Giappone, nell’aprile 1875.
Challenger lasciò il Giappone a metà giugno 1875, dirigendosi a est attraverso il Pacifico fino a un punto a nord delle Isole Sandwich (Hawaii), e poi girando a sud, facendo rotta verso la fine di luglio a Honolulu sull’isola hawaiana di Oahu. Un paio di settimane dopo, a metà agosto, la nave partì verso sud-est, ancorandosi a Hilo Bay al largo della Big Island delle Hawaii, prima di continuare verso sud e raggiungere Tahiti a metà settembre.
La spedizione lasciò Tahiti all’inizio di ottobre, oscillando a ovest e a sud delle isole Tubuai e poi dirigendosi a sud-est prima di girare a est verso la costa sudamericana. La rotta toccò le isole Juan Fernández a metà novembre 1875, e Challenger raggiunse il porto di Valparaiso in Cile pochi giorni dopo. La fase successiva del viaggio iniziò il mese successivo, con la rotta che portava la nave a sud-ovest di nuovo fuori nel Pacifico, oltre le isole Juan Fernández, prima di girare a sud-est e tornare verso il Sud America, raggiungendo Port Otway nel Golfo di Penas il 31 dicembre 1875.
La maggior parte del gennaio 1876 fu trascorsa navigando intorno alla punta meridionale del Sud America, sorvegliando e toccando molte delle baie e delle isole dell’arcipelago della Patagonia, lo Stretto di Magellano e la Terra del Fuoco. Le località visitate comprendono Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, tutte nelle vicinanze dell’isola Wellington; Puerta Bueno, vicino all’isola Hanover; Isthmus Bay, vicino all’arcipelago della Regina Adelaide; e Port Churruca, vicino all’isola Santa Ines.
Le fermate finali, prima di dirigersi nell’Atlantico, furono Port Famine, Sandy Point e Elizabeth Island. La Challenger raggiunse le isole Falkland verso la fine di gennaio, facendo scalo a Port Stanley e proseguendo poi verso nord, raggiungendo Montevideo in Uruguay a metà febbraio 1876. La nave lasciò Montevideo alla fine di febbraio, dirigendosi prima verso est e poi verso nord, arrivando all’isola di Ascensione alla fine di marzo 1876.
Il periodo da inizio a metà aprile fu trascorso navigando dall’isola di Ascensione alle isole di Capo Verde. Da qui, la rotta presa tra la fine di aprile e l’inizio di maggio 1876 fu un giro a ovest verso il nord, verso il medio Atlantico, per poi girare a est verso l’Europa e toccare terra a Vigo in Spagna verso la fine di maggio. La fase finale del viaggio portò la nave e il suo equipaggio a nord-est di Vigo, costeggiando il Golfo di Biscaglia per approdare in Inghilterra. La Challenger tornò a Spithead, Hampshire, il 24 maggio 1876, dopo aver trascorso 713 giorni dei 1.250 in mare.