Op de reis van 68.890 zeemijlen (79.280 mi; 127.580 km) rond de aarde, werden 492 diepzeepeilingen, 133 bodemboringen, 151 sleepnetten in open water en 263 seriële watertemperatuurwaarnemingen verricht. Er werden ongeveer 4700 nieuwe soorten zeeleven ontdekt.
Het wetenschappelijk werk werd verricht door Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley, en Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed werd aangesteld als prosector. De officiële kunstenaar van de expeditie was John James Wild. Naast Nares en Maclear maakten ook Pelham Aldrich, George Granville Campbell en Andrew Francis Balfour (een van de zonen van de Schotse botanicus John Hutton Balfour) deel uit van de scheepsbemanning. Onder de officieren bevond zich ook Thomas Henry Tizard, die op eerdere reizen belangrijke hydrografische waarnemingen had gedaan. Hoewel hij niet tot de civiele wetenschappelijke staf behoorde, zou Tizard later helpen bij het schrijven van het officiële verslag van de expeditie, en werd hij ook een lid van de Royal Society.
De oorspronkelijke bemanning bestond uit 21 officieren en ongeveer 216 bemanningsleden. Aan het eind van de reis was dit aantal teruggebracht tot 144 door sterfgevallen, deserteringen, personeel dat aan wal bleef wegens ziekte, en gepland vertrek.
Challenger bereikte Hong Kong in december 1874, waarna Nares en Aldrich het schip verlieten om deel te nemen aan de Britse Arctische Expeditie. De nieuwe kapitein was Frank Tourle Thomson. De tweede-in-bevel, en de meest senior officier aanwezig tijdens de hele expeditie, was commandant John Maclear. Willemoes-Suhm stierf en werd op zee begraven tijdens de reis naar Tahiti. Lords Campbell en Balfour verlieten het schip in Valparaiso, Chili, na te zijn bevorderd.
De eerste etappe van de expeditie voerde het schip van Portsmouth (december 1872) zuidwaarts naar Lissabon (januari 1873) en vervolgens door naar Gibraltar. De volgende stops waren Madeira en de Canarische Eilanden (beide februari 1873). Van februari tot juli 1873 werd de Atlantische Oceaan in westelijke richting doorkruist van de Canarische Eilanden naar de Maagdeneilanden, vervolgens in noordelijke richting naar Bermuda, in oostelijke richting naar de Azoren, terug naar Madeira, en vervolgens in zuidelijke richting naar de Kaapverdische Eilanden. In deze periode was er een omweg in april en mei 1873, waarbij van Bermuda noordwaarts naar Halifax en terug werd gevaren, waarbij de Golfstroom tweemaal werd overgestoken en de terugreis verder oostwaarts ging.
Na het verlaten van de Kaapverdische Eilanden in augustus 1873, voer de expeditie aanvankelijk zuidoostwaarts en vervolgens westwaarts om St Paul’s Rocks te bereiken. Van hieruit ging de route zuidwaarts over de evenaar naar Fernando de Noronha in september 1873, en verder diezelfde maand naar Bahia (nu Salvador geheten) in Brazilië. Van september tot oktober 1873 werd de Atlantische Oceaan overgestoken van Bahia naar Kaap de Goede Hoop, waarbij onderweg Tristan da Cunha werd aangedaan.
December 1873 tot februari 1874 werd doorgebracht varend op een ruwweg zuidoostelijke baan van Kaap de Goede Hoop tot de parallel van 60 graden zuiderbreedte. De eilanden die in deze periode werden bezocht waren de Prince Edward-eilanden, de Crozet-eilanden, de Kerguelen-eilanden en Heard Island. In februari 1874 reisde het schip naar het zuiden en vervolgens in oostelijke richting in de buurt van de zuidpoolcirkel, waar ijsbergen, pakijs en walvissen werden gezien. De route voerde in maart 1874 noordoostwaarts, weg van de ijsgebieden, en de expeditie bereikte later die maand Melbourne in Australië. De reis oostwaarts langs de kust van Melbourne naar Sydney vond plaats in april 1874, waarbij Wilsons Promontory en Cape Howe werden gepasseerd.
Toen de reis in juni 1874 werd hervat, ging de route oostwaarts van Sydney naar Wellington in Nieuw-Zeeland, gevolgd door een grote lus noordwaarts in de Stille Oceaan waarbij Tonga en Fiji werden aangedaan, en vervolgens eind augustus weer westwaarts naar Cape York in Australië. Het schip kwam eind juni in Nieuw-Zeeland aan en vertrok begin juli. Alvorens Wellington (op het Noordereiland van Nieuw-Zeeland) te bereiken, werden korte stops gemaakt in Port Hardy (op d’Urville Island) en Queen Charlotte Sound en Challenger voer door de Straat van Cook om Wellington te bereiken.
De route van Wellington naar Tonga liep langs de oostkust van het Noordereiland van Nieuw-Zeeland, en vervolgens noord- en oostwaarts de open Stille Oceaan in, langs de Kermadec-eilanden op weg naar Tongatabu, het hoofdeiland van de Tonga-archipel (toen bekend als de Vriendelijke Eilanden). De wateren rond de Fiji-eilanden, op korte afstand ten noordwesten van Tonga, werden eind juli en begin augustus 1874 verkend. De koers van het schip werd toen westwaarts bepaald, zodat eind augustus Raine Island – aan de buitenrand van het Great Barrier Reef – werd bereikt en vervolgens Cape York werd bereikt, op de punt van het Australische Cape York Peninsula.
In de volgende drie maanden, van september tot november 1874, bezocht de expeditie verschillende eilanden en eilandengroepen terwijl ze van Cape York naar China en Hong Kong (toen een Britse kolonie) voer. Het eerste deel van de route voerde noordwaarts en westwaarts over de Arafura Zee, met Nieuw-Guinea in het noordoosten en het Australische vasteland in het zuidwesten. De eerste eilanden die werden aangedaan waren de Aru-eilanden, gevolgd door de nabijgelegen Kai eilanden. Vervolgens stak het schip de Bandazee over, waarbij het de Banda-eilanden aandeed, om in oktober 1874 Amboina (Ambon-eiland) te bereiken, en vervolgens door te varen naar Ternate-eiland. Al deze eilanden maken nu deel uit van Indonesië.
Vanaf Ternate ging de route noordwestwaarts naar de Filippijnen en passeerde ten oosten van Celebes (Sulawesi) in de Celebes Zee. De expeditie deed Samboangan (Zamboanga) aan op Mindanao, en vervolgens Iloilo op het eiland Panay, alvorens door het binnenland van de archipel te varen op weg naar de baai en haven van Manilla op het eiland Luzon. De oversteek in noordwestelijke richting van Manilla naar Hongkong vond plaats in november 1874.
Na enkele weken in Hongkong te hebben doorgebracht, vertrok de expeditie begin januari 1875 om hun route in zuidoostelijke richting naar Nieuw-Guinea terug te volgen. De eerste halte op deze heenreis was Manilla. Vandaar ging het verder naar Samboangan, maar nam een andere route door het binnenland van de Filippijnen, ditmaal met een tussenstop bij het eiland Zebu. Vanaf Samboangan week het schip af van de inwaartse route, dit keer ten zuiden van Mindanao, begin februari 1875.
Challenger voer vervolgens oostwaarts de open zee op, om vervolgens naar het zuidoosten af te buigen en aan land te gaan bij Humboldt Bay (nu Yos Sudarso Bay) aan de noordkust van Nieuw-Guinea. In maart 1875 bereikte de expeditie de Admiraliteitseilanden ten noordoosten van Nieuw-Guinea. De laatste etappe van de reis aan deze kant van de Stille Oceaan was een lange reis over de open oceaan naar het noorden, waarbij ze vooral ten westen van de Caroline-eilanden en de Marianen-eilanden passeerden en in april 1875 de haven in Yokohama, Japan, bereikten.
Challenger verliet Japan medio juni 1875, voer oostwaarts over de Stille Oceaan naar een punt precies ten noorden van de Sandwich-eilanden (Hawaii), en draaide toen naar het zuiden, om eind juli bij Honolulu op het Hawaiiaanse eiland Oahu aan land te gaan. Een paar weken later, half augustus, vertrok het schip in zuidoostelijke richting en ging voor anker in Hilo Bay bij het Grote Eiland van Hawaii, om vervolgens door te varen naar het zuiden en half september Tahiti te bereiken.
De expeditie verliet Tahiti begin oktober, zwenkte naar het westen en zuiden van de Tubuai Eilanden en voer vervolgens naar het zuidoosten om vervolgens naar het oosten af te buigen richting de Zuid-Amerikaanse kust. Half november 1875 werd de Juan Fernández-eilanden aangedaan en Challenger bereikte een paar dagen later de haven van Valparaiso in Chili. De volgende etappe van de reis begon de volgende maand, waarbij de route het schip in zuidwestelijke richting terugbracht in de Stille Oceaan, langs de Juan Fernández-eilanden, alvorens naar het zuidoosten af te buigen en terug richting Zuid-Amerika te varen, om Port Otway in de Golf van Penas te bereiken op 31 december 1875.
Het grootste deel van januari 1876 werd doorgebracht rond de zuidpunt van Zuid-Amerika, waar veel baaien en eilanden van de Patagonische archipel, de Straat van Magellan en Vuurland werden verkend en aangedaan. Locaties die hier werden bezocht waren onder andere Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, allemaal in de buurt van Wellington Island; Puerta Bueno, in de buurt van Hanover Island; Isthmus Bay, in de buurt van de Queen Adelaide Archipelago; en Port Churruca, in de buurt van Santa Ines Island.
De laatste stops, voordat het de Atlantische Oceaan opvoer, waren Port Famine, Sandy Point, en Elizabeth Island. Challenger bereikte de Falklandeilanden tegen het einde van januari, deed Port Stanley aan en voer toen verder noordwaarts, om Montevideo in Uruguay te bereiken medio februari 1876. Het schip verliet Montevideo eind februari en voer eerst pal oost en vervolgens pal noord, om eind maart 1876 op Ascension Island aan te komen.
De periode van begin tot midden april werd doorgebracht varend van Ascension Island naar de Kaapverdische Eilanden. Van hieruit werd eind april, begin mei 1876 een westwaartse lus naar het noorden gemaakt, naar het midden van de Atlantische Oceaan, om uiteindelijk in oostelijke richting naar Europa af te buigen en eind mei in Vigo in Spanje aan land te gaan. De laatste etappe van de reis voerde het schip en de bemanning noordoostwaarts van Vigo, langs de Golf van Biskaje om in Engeland aan land te gaan. Challenger keerde terug naar Spithead, Hampshire, op 24 mei 1876, na 713 van de 1250 dagen op zee te hebben doorgebracht.