W czasie jej 68 890-milowej (79 280 mi; 127 580 km) wokół kuli ziemskiej wykonano 492 sondowania głębinowe, 133 pogłębiania dna, 151 włoków na otwartej wodzie i 263 seryjne obserwacje temperatury wody. Odkryto około 4 700 nowych gatunków życia morskiego.
Pracę naukową prowadzili Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley i Rudolf von Willemoes-Suhm. Prosektorem został mianowany Frank Evers Bed. Oficjalnym artystą ekspedycji był John James Wild. Oprócz Naresa i Maclear’a, w skład załogi wchodzili Pelham Aldrich, George Granville Campbell i Andrew Francis Balfour (jeden z synów szkockiego botanika Johna Huttona Balfoura). Wśród oficerów był również Thomas Henry Tizard, który prowadził ważne obserwacje hydrograficzne podczas poprzednich rejsów. Choć nie należał do cywilnego personelu naukowego, Tizard pomógł później napisać oficjalną relację z wyprawy, a także został członkiem Royal Society.
Pierwotny skład statku obejmował 21 oficerów i około 216 członków załogi. Do końca rejsu liczba ta zmniejszyła się do 144 z powodu zgonów, dezercji, pozostawienia personelu na lądzie z powodu choroby oraz planowanych odejść.
Challenger dotarł do Hongkongu w grudniu 1874 roku, kiedy to Nares i Aldrich opuścili statek, by wziąć udział w Brytyjskiej Ekspedycji Arktycznej. Nowym kapitanem został Frank Tourle Thomson. Drugim w kolejności dowódcą, a zarazem najstarszym oficerem obecnym podczas całej wyprawy, był komandor John Maclear. Willemoes-Suhm zmarł i został pochowany na morzu podczas rejsu na Tahiti. Lordowie Campbell i Balfour opuścili okręt w Valparaiso w Chile, po otrzymaniu awansu.
Pierwszy etap ekspedycji zaprowadził statek z Portsmouth (grudzień 1872) na południe do Lizbony (styczeń 1873) i dalej do Gibraltaru. Kolejnymi przystankami były Madera i Wyspy Kanaryjskie (oba luty 1873). Okres od lutego do lipca 1873 roku upłynął na przepłynięciu Atlantyku na zachód od Wysp Kanaryjskich do Wysp Dziewiczych, następnie na północ do Bermudów, na wschód do Azorów, z powrotem na Maderę, a potem na południe do Wysp Zielonego Przylądka. W tym okresie, w kwietniu i maju 1873 roku miał miejsce objazd, żegluga z Bermudów na północ do Halifaxu i z powrotem, dwukrotne przekroczenie Prądu Zatokowego z podróżą powrotną dalej na wschód.
Po opuszczeniu Wysp Zielonego Przylądka w sierpniu 1873 roku, ekspedycja początkowo płynęła na południowy wschód, a następnie skierowała się na zachód, aby dotrzeć do St Paul’s Rocks. Stąd trasa wiodła na południe przez równik do Fernando de Noronha we wrześniu 1873 r. i dalej w tym samym miesiącu do Bahia (obecnie Salvador) w Brazylii. Okres od września do października 1873 roku spędził na przepłynięciu Atlantyku z Bahia do Przylądka Dobrej Nadziei, dotykając po drodze Tristan da Cunha.
Grudzień 1873 do lutego 1874 spędził żeglując z grubsza południowo-wschodnim torem od Przylądka Dobrej Nadziei do równoleżnika 60 stopni na południe. Odwiedzone w tym okresie wyspy to Wyspy Księcia Edwarda, Wyspy Crozeta, Wyspy Kerguelena i Wyspa Heard. Luty 1874 roku upłynął pod znakiem podróży na południe, a następnie generalnie na wschód w okolice koła antarktycznego, z obserwacjami gór lodowych, paku lodowego i wielorybów. W marcu 1874 roku trasa poprowadziła statek na północny wschód, z dala od rejonów lodowych. W tym samym miesiącu ekspedycja dotarła do Melbourne w Australii. Podróż na wschód wzdłuż wybrzeża z Melbourne do Sydney odbyła się w kwietniu 1874 roku, mijając Wilsons Promontory i Cape Howe.
Gdy rejs wznowiono w czerwcu 1874, trasa wiodła na wschód z Sydney do Wellington w Nowej Zelandii, po czym nastąpiła duża pętla na północ w głąb Pacyfiku z zawinięciem do Tonga i Fidżi, a następnie powrót na zachód do Przylądka York w Australii pod koniec sierpnia. Statek przybył do Nowej Zelandii pod koniec czerwca, a opuścił ją na początku lipca. Przed dotarciem do Wellington (na nowozelandzkiej Wyspie Północnej), krótkie postoje miały miejsce w Port Hardy (na wyspie d’Urville) i Queen Charlotte Sound, a Challenger przepłynął przez Cieśninę Cooka, aby dotrzeć do Wellington.
Trasa z Wellington do Tonga przebiegała wzdłuż wschodniego wybrzeża nowozelandzkiej Wyspy Północnej, a następnie na północ i wschód do otwartego Pacyfiku, mijając Wyspy Kermadeckie w drodze do Tongatabu, głównej wyspy archipelagu Tonga (wówczas znanego jako Friendly Islands). Wody wokół wysp Fidżi, w niewielkiej odległości na północny zachód od Tonga, zostały zbadane pod koniec lipca i na początku sierpnia 1874 roku. Następnie statek obrał kurs na zachód, docierając pod koniec sierpnia do Raine Island na zewnętrznej krawędzi Wielkiej Rafy Koralowej, a stamtąd do Cape York, na krańcu australijskiego Półwyspu Cape York.
W ciągu kolejnych trzech miesięcy, od września do listopada 1874 roku, ekspedycja odwiedziła kilka wysp i grup wysp, płynąc z Cape York do Chin i Hong Kongu (wówczas kolonii brytyjskiej). Pierwsza część trasy przebiegała na północ i zachód przez Morze Arafura, z Nową Gwineą na północnym wschodzie i kontynentem australijskim na południowym zachodzie. Pierwszymi odwiedzonymi wyspami były Wyspy Aru, a następnie pobliskie Wyspy Kai. Następnie statek przepłynął przez Morze Banda, dotykając Wysp Banda, aby w październiku 1874 r. dotrzeć do Amboina (Wyspa Ambon), a potem dalej na Wyspę Ternate. Wszystkie te wyspy są obecnie częścią Indonezji.
Z Ternate trasa wiodła na północny zachód w kierunku Filipin, przechodząc na wschód od Celebes (Sulawesi) do Morza Celebes. Ekspedycja zawinęła do Samboangan (Zamboanga) na Mindanao, a następnie do Iloilo na wyspie Panay, po czym żeglowała wewnątrz archipelagu w drodze do zatoki i portu w Manili na wyspie Luzon. Przeprawa na północny zachód z Manili do Hongkongu miała miejsce w listopadzie 1874 r.
Po kilku tygodniach spędzonych w Hongkongu ekspedycja wyruszyła na początku stycznia 1875 r., aby prześledzić trasę na południowy wschód w kierunku Nowej Gwinei. Pierwszym przystankiem na tym etapie podróży była Manila. Stamtąd popłynęli dalej do Samboangan, ale inną trasą przez wnętrze Filipin, tym razem zatrzymując się na wyspie Zebu. Z Samboangan statek zboczył z trasy do wewnątrz, tym razem przechodząc na południe od Mindanao – na początku lutego 1875 roku.
Challenger skierował się następnie na wschód, na otwarte morze, po czym skręcił na południowy wschód i dotarł do Zatoki Humboldta (obecnie Zatoka Yos Sudarso) na północnym wybrzeżu Nowej Gwinei. Do marca 1875 roku ekspedycja dotarła do Wysp Admiralicji na północny wschód od Nowej Gwinei. Ostatnim etapem rejsu po tej stronie Pacyfiku była długa podróż przez otwarty ocean na północ, mijając głównie na zachód Wyspy Karoliny i Mariany, docierając w kwietniu 1875 roku do portu w Jokohamie w Japonii.
Challenger opuścił Japonię w połowie czerwca 1875, kierując się na wschód przez Pacyfik do punktu położonego na północ od Wysp Sandwich (Hawaje), a następnie skręcając na południe, lądując pod koniec lipca w Honolulu na hawajskiej wyspie Oahu. Kilka tygodni później, w połowie sierpnia, statek odpłynął na południowy wschód, zakotwiczył w Zatoce Hilo na Dużej Wyspie Hawajów, po czym kontynuował podróż na południe i dotarł do Tahiti w połowie września.
Ekspedycja opuściła Tahiti na początku października, opływając na zachód i południe Wyspy Tubuai, po czym skierowała się na południowy wschód, zanim skręciła na wschód w kierunku wybrzeża Ameryki Południowej. Trasa dotknęła Wysp Juan Fernández w połowie listopada 1875 roku, a Challenger dotarł do portu Valparaiso w Chile kilka dni później. Kolejny etap podróży rozpoczął się w następnym miesiącu, z trasy biorąc statek na południowy zachód z powrotem na Pacyfiku, obok Wysp Juan Fernández, przed zwróceniem się na południowy wschód i z powrotem w kierunku Ameryki Południowej, osiągając Port Otway w Zatoce Penas na 31 grudnia 1875 roku.
Większą część stycznia 1876 spędzono na żegludze wokół południowego krańca Ameryki Południowej, badając i dotykając wielu zatok i wysp Archipelagu Patagońskiego, Cieśniny Magellana i Tierra del Fuego. Odwiedzone miejsca to Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, wszystkie w pobliżu wyspy Wellington; Puerta Bueno, w pobliżu wyspy Hanover; Isthmus Bay, w pobliżu archipelagu Królowej Adelajdy; i Port Churruca, w pobliżu wyspy Santa Ines.
Ostatnie przystanki, przed wypłynięciem na Atlantyk, to Port Famine, Sandy Point i Elizabeth Island. Challenger dotarł do Falklandów pod koniec stycznia, zawijając do Port Stanley, a następnie kontynuując rejs na północ, docierając do Montevideo w Urugwaju w połowie lutego 1876 roku. Statek opuścił Montevideo pod koniec lutego, kierując się najpierw na wschód, a potem na północ, docierając na Wyspę Wniebowstąpienia pod koniec marca 1876 r.
Okres od początku do połowy kwietnia upłynął na żegludze z Wyspy Wniebowstąpienia na Wyspy Zielonego Przylądka. Stamtąd, trasa podjęta pod koniec kwietnia i na początku maja 1876 roku była zachodnią pętlą na północ do środkowego Atlantyku, ostatecznie skręcając na wschód w kierunku Europy, aby dotknąć lądu w Vigo w Hiszpanii pod koniec maja. Ostatni etap rejsu poprowadził statek i jego załogę na północny wschód od Vigo, omijając Zatokę Biskajską, by wylądować w Anglii. Challenger powrócił do Spithead w Hampshire 24 maja 1876 r., spędziwszy na morzu 713 z 1250 dni.