Em suas 68.890 milhas náuticas (79.280 milhas); 127.580 km) viagem circunavegando o globo, 492 sondagens de profundidade, 133 dragas de fundo, 151 redes de arrasto em águas abertas e 263 observações em série da temperatura da água foram feitas. Cerca de 4.700 novas espécies de vida marinha foram descobertas.
O trabalho científico foi conduzido por Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley, e Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed foi nomeado prosector. O artista oficial da expedição era John James Wild. Além de Nares e Maclear, outros que faziam parte da tripulação naval eram Pelham Aldrich, George Granville Campbell e Andrew Francis Balfour (um dos filhos do botânico escocês John Hutton Balfour). Também entre os oficiais estava Thomas Henry Tizard, que tinha realizado importantes observações hidrográficas em viagens anteriores. Embora ele não estivesse entre o pessoal científico civil, Tizard mais tarde ajudaria a escrever o relato oficial da expedição, e também se tornaria um Fellow da Royal Society.
O complemento original do navio incluía 21 oficiais e cerca de 216 membros da tripulação. No final da viagem, esta tinha sido reduzida para 144 devido a mortes, deserções, pessoal sendo deixado em terra devido a doenças e partidas planeadas.
Challenger chegou a Hong Kong em Dezembro de 1874, altura em que Nares e Aldrich deixaram o navio para participar na Expedição Britânica do Árctico. O novo capitão era Frank Tourle Thomson. O segundo em comando, e o oficial mais alto presente durante toda a expedição, era o Comandante John Maclear. Willemoes-Suhm morreu e foi enterrado no mar durante a viagem ao Taiti. Os Senhores Campbell e Balfour deixaram o navio em Valparaíso, Chile, depois de serem promovidos.
A primeira etapa da expedição levou o navio de Portsmouth (Dezembro de 1872) para sul até Lisboa (Janeiro de 1873) e depois para Gibraltar. As paragens seguintes foram na Madeira e nas Ilhas Canárias (ambas em Fevereiro de 1873). O período de Fevereiro a Julho de 1873 foi passado atravessando o Atlântico para oeste, desde as Canárias até às Ilhas Virgens, seguindo depois para norte até às Bermudas, para leste até aos Açores, de volta à Madeira e depois para sul até às Ilhas de Cabo Verde. Durante este período, houve um desvio em Abril e Maio de 1873, navegando das Bermudas para norte até Halifax e de volta, atravessando duas vezes a Corrente do Golfo com a travessia inversa para leste.
Após deixar as Ilhas de Cabo Verde em Agosto de 1873, a expedição navegou inicialmente para sudeste e depois rumou para oeste para chegar a St Paul’s Rocks. A partir daqui, a rota foi para sul, atravessando a linha do Equador até Fernando de Noronha em Setembro de 1873, e a partir desse mesmo mês até à Bahia (agora chamada Salvador) no Brasil. O período de setembro a outubro de 1873 foi passado atravessando o Atlântico da Bahia até o Cabo da Boa Esperança, tocando em Tristão da Cunha no caminho.
Dezembro de 1873 a Fevereiro de 1874 foi passado navegando em uma trilha mais ou menos a sudeste do Cabo da Boa Esperança até o paralelo de 60 graus sul. As ilhas visitadas durante este período foram as Ilhas Príncipe Eduardo, as Ilhas Crozet, as Ilhas Kerguelen, e a Ilha Heard. Fevereiro de 1874 foi passado a viajar para sul e depois geralmente para leste, nas proximidades do Círculo Antárctico, com avistamentos de icebergs, gelo e baleias. A rota então levou o navio para nordeste e para longe das regiões de gelo em março de 1874, com a expedição chegando a Melbourne, na Austrália, no final daquele mês. A viagem para leste ao longo da costa de Melbourne até Sydney aconteceu em abril de 1874, passando por Wilsons Promontory e Cape Howe.
Quando a viagem foi retomada em Junho de 1874, a rota foi para leste de Sidney para Wellington na Nova Zelândia, seguida por um grande laço para norte, para o Pacífico chamando em Tonga e Fiji, e depois de volta para oeste para o Cabo York na Austrália no final de Agosto. O navio chegou à Nova Zelândia no final de junho e partiu no início de julho. Antes de chegar a Wellington (na Ilha Norte da Nova Zelândia), foram feitas breves paragens em Port Hardy (na Ilha d’Urville) e a Rainha Charlotte Sound e Challenger passou pelo Estreito de Cook para chegar a Wellington.
A rota de Wellington para Tonga foi ao longo da costa leste da Ilha Norte da Nova Zelândia, e depois para norte e leste para o Pacífico aberto, passando pelas Ilhas Kermadec a caminho de Tongatabu, a ilha principal do arquipélago de Tonga (então conhecida como as Ilhas Amigas). As águas em torno das ilhas Fiji, a uma curta distância ao noroeste de Tonga, foram pesquisadas no final de julho e início de agosto de 1874. O rumo do navio foi então traçado para oeste, alcançando as Ilhas Raine – no limite exterior da Grande Barreira de Corais – no final de Agosto e daí chegando ao Cabo York, na ponta da Península do Cabo York da Austrália.
Nos três meses seguintes, de Setembro a Novembro de 1874, a expedição visitou várias ilhas e grupos de ilhas enquanto navegava do Cabo York para a China e Hong Kong (então uma colónia britânica). A primeira parte da rota passou a norte e oeste sobre o Mar de Arafura, com a Nova Guiné a nordeste e o continente australiano a sudoeste. As primeiras ilhas visitadas foram as Ilhas Aru, seguidas das vizinhas Ilhas Kai. O navio atravessou então o Mar da Banda, tocando as Ilhas Banda, para chegar a Amboina (Ilha Ambon) em outubro de 1874, e depois continuando para a Ilha Ternate. Todas estas ilhas fazem agora parte da Indonésia.
De Ternate, a rota foi para noroeste em direção às Filipinas, passando a leste de Celebes (Sulawesi) para o Mar de Celebes. A expedição foi chamada em Samboangan (Zamboanga) em Mindanao, e depois em Iloilo na ilha de Panay, antes de navegar no interior do arquipélago em direcção à baía e porto de Manila na ilha de Luzon. A travessia para noroeste de Manila até Hong Kong teve lugar em Novembro de 1874.
Após várias semanas em Hong Kong, a expedição partiu no início de Janeiro de 1875 para refazer a rota para sudeste em direcção à Nova Guiné. A primeira paragem nesta etapa da viagem de ida foi Manila. A partir daí, seguiram para Samboangan, mas fizeram uma rota diferente pelo interior das Filipinas, desta vez tocando a ilha de Zebu. A partir de Samboangan o navio desviou-se da rota interior, desta vez passando a sul de Mindanao- no início de Fevereiro de 1875.
Challenger então rumou para o mar aberto, antes de virar para sudeste e fazer aterragem em Humboldt Bay (agora Yos Sudarso Bay), na costa norte da Nova Guiné. Em março de 1875, a expedição tinha chegado às Ilhas Almirantadas a nordeste da Nova Guiné. A etapa final da viagem deste lado do Pacífico foi uma longa viagem através do mar aberto para o norte, passando principalmente a oeste das Ilhas Caroline e das Ilhas Marianas, chegando ao porto de Yokohama, no Japão, em abril de 1875.
Challenger deixou o Japão em meados de Junho de 1875, dirigindo-se para leste através do Pacífico até um ponto a norte das Ilhas Sandwich (Hawaii), e depois virando para sul, fazendo a aterragem no final de Julho em Honolulu, na ilha havaiana de Oahu. Algumas semanas mais tarde, em meados de Agosto, o navio partiu para sudeste, ancorando na Baía de Hilo, ao largo da Ilha Grande do Havai, antes de continuar para sul e chegar ao Taiti em meados de Setembro.
A expedição partiu do Taiti no início de Outubro, balançando para oeste e sul das Ilhas Tubuai e depois em direcção a sudeste antes de virar para leste em direcção à costa sul-americana. A rota tocou as ilhas Juan Fernández em meados de novembro de 1875, com Challenger chegando ao porto de Valparaiso, no Chile, alguns dias depois. A etapa seguinte da viagem começou no mês seguinte, com a rota levando o navio para sudoeste de volta ao Pacífico, passando pelas Ilhas Juan Fernández, antes de virar para sudeste e voltar para a América do Sul, chegando ao Porto Otway, no Golfo de Penas, em 31 de dezembro de 1875.
Navegou quase todo o mês de Janeiro de 1876 na ponta sul da América do Sul, fazendo levantamentos e tocando em muitas das baías e ilhas do arquipélago patagónico, no Estreito de Magalhães, e na Terra do Fogo. Os locais visitados aqui incluem Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, todos nas proximidades da Ilha Wellington; Puerta Bueno, perto da Ilha de Hanover; Isthmus Bay, perto do Arquipélago Queen Adelaide; e Port Churruca, perto da Ilha Santa Inês.
As paragens finais, antes de sair para o Atlântico, foram Port Famine, Sandy Point, e a Ilha Elizabeth. O Challenger chegou às Ilhas Malvinas no final de janeiro, fazendo escala em Port Stanley e depois prosseguindo para o norte, chegando a Montevidéu, no Uruguai, em meados de fevereiro de 1876. O navio deixou Montevideo no final de fevereiro, indo primeiro para o leste e depois para o norte, chegando à Ilha da Ascensão no final de março de 1876.
O período do início a meados de abril foi passado navegando da Ilha da Ascensão para as Ilhas de Cabo Verde. A partir daqui, a rota feita no final de Abril e início de Maio de 1876 foi uma volta para oeste, em direcção ao norte, até ao meio do Atlântico, acabando por virar para leste, em direcção à Europa, para tocar terra em Vigo, em Espanha, no final de Maio. A fase final da viagem levou o navio e a sua tripulação para nordeste de Vigo, contornando o Golfo da Biscaia para aterrar em Inglaterra. Challenger regressou a Spithead, Hampshire, em 24 de Maio de 1876, tendo passado 713 dias dos 1.250 no mar.