În expediția sa de 68.890 mile nautice (79.280 mi; 127.580 km) în călătoria de ocolire a globului, au fost efectuate 492 de sondaje de adâncime, 133 de dragare de fund, 151 de traulări în ape deschise și 263 de observații în serie ale temperaturii apei. Au fost descoperite aproximativ 4.700 de specii noi de viețuitoare marine.
Lucrările științifice au fost conduse de Wyville Thomson, John Murray, John Young Buchanan, Henry Nottidge Moseley și Rudolf von Willemoes-Suhm. Frank Evers Bed a fost numit prozator. Artistul oficial al expediției a fost John James Wild. Pe lângă Nares și Maclear, din echipajul naval au mai făcut parte Pelham Aldrich, George Granville Campbell și Andrew Francis Balfour (unul dintre fiii botanistului scoțian John Hutton Balfour). Printre ofițeri se număra și Thomas Henry Tizard, care efectuase observații hidrografice importante în călătoriile anterioare. Deși nu făcea parte din personalul științific civil, Tizard avea să ajute mai târziu la scrierea relatării oficiale a expediției și, de asemenea, avea să devină membru al Societății Regale.
Echipajul inițial al navei includea 21 de ofițeri și aproximativ 216 membri ai echipajului. Până la sfârșitul călătoriei, acest număr a fost redus la 144 din cauza deceselor, dezertărilor, a personalului lăsat la țărm din cauza bolii și a plecărilor planificate.
Challenger a ajuns la Hong Kong în decembrie 1874, moment în care Nares și Aldrich au părăsit nava pentru a lua parte la Expediția arctică britanică. Noul căpitan a fost Frank Tourle Thomson. Al doilea la comandă și cel mai înalt ofițer prezent pe parcursul întregii expediții a fost comandantul John Maclear. Willemoes-Suhm a murit și a fost înmormântat pe mare în timpul călătoriei spre Tahiti. Lorzii Campbell și Balfour au părăsit nava în Valparaiso, Chile, după ce au fost promovați.
Prima etapă a expediției a dus nava de la Portsmouth (decembrie 1872) spre sud până la Lisabona (ianuarie 1873) și apoi la Gibraltar. Următoarele escale au fost Madeira și Insulele Canare (ambele în februarie 1873). Perioada din februarie până în iulie 1873 a fost petrecută traversând Atlanticul spre vest, de la Insulele Canare la Insulele Virgine, apoi îndreptându-se spre nord către Bermude, spre est către Azore, înapoi în Madeira și apoi spre sud către Insulele Capului Verde. În această perioadă, în aprilie și mai 1873 a existat un ocol în aprilie și mai 1873, navigând din Bermuda spre nord până la Halifax și înapoi, traversând de două ori Curentul Golfului, călătoria inversă trecând mai la est.
După ce a părăsit Insulele Capului Verde în august 1873, expediția a navigat inițial spre sud-est și apoi s-a îndreptat spre vest pentru a ajunge la St Paul’s Rocks. De aici, traseul s-a îndreptat spre sud, traversând ecuatorul până la Fernando de Noronha în cursul lunii septembrie 1873, și mai departe, în aceeași lună, până la Bahia (numită acum Salvador) în Brazilia. Perioada septembrie-octombrie 1873 a fost petrecută traversând Atlanticul de la Bahia până la Capul Bunei Speranțe, atingând Tristan da Cunha pe drum.
Decembrie 1873 – februarie 1874 a fost petrecut navigând pe o traiectorie aproximativ sud-estică de la Capul Bunei Speranțe până la paralela de 60 grade sud. Insulele vizitate în această perioadă au fost Insulele Prince Edward, Insulele Crozet, Insulele Kerguelen și Insula Heard. Luna februarie 1874 a fost petrecută călătorind spre sud și apoi, în general, spre est, în apropierea Cercului Polar Antarctic, fiind observate aisberguri, banchiză și balene. Apoi, în martie 1874, ruta a dus nava spre nord-est și s-a îndepărtat de regiunile de gheață, expediția ajungând la Melbourne, în Australia, mai târziu în aceeași lună. Călătoria spre est de-a lungul coastei de la Melbourne la Sydney a avut loc în aprilie 1874, trecând pe lângă Wilsons Promontory și Cape Howe.
Când călătoria a fost reluată în iunie 1874, traseul a mers spre est de la Sydney la Wellington în Noua Zeelandă, urmat de o buclă mare spre nord în Pacific, făcând escală la Tonga și Fiji, și apoi înapoi spre vest până la Cape York în Australia până la sfârșitul lunii august. Nava a sosit în Noua Zeelandă la sfârșitul lunii iunie și a plecat la începutul lunii iulie. Înainte de a ajunge la Wellington (pe Insula de Nord a Noii Zeelande), au fost făcute scurte opriri la Port Hardy (pe Insula d’Urville) și la Queen Charlotte Sound, iar Challenger a trecut prin Strâmtoarea Cook pentru a ajunge la Wellington.
Ruta de la Wellington la Tonga a mers de-a lungul coastei de est a Insulei de Nord a Noii Zeelande și apoi spre nord și est în largul Pacificului, trecând pe lângă Insulele Kermadec în drum spre Tongatabu, insula principală a arhipelagului Tonga (cunoscută atunci sub numele de Insulele Prietene). Apele din jurul insulelor Fiji, aflate la mică distanță la nord-vest de Tonga, au fost cercetate la sfârșitul lunii iulie și începutul lunii august 1874. Cursul navei a fost apoi stabilit spre vest, ajungând la insula Raine – la marginea exterioară a Marii Bariere de Corali – la sfârșitul lunii august și de acolo ajungând la Cape York, în vârful Peninsulei Cape York din Australia.
În următoarele trei luni, din septembrie până în noiembrie 1874, expediția a vizitat mai multe insule și grupuri de insule în timp ce naviga de la Cape York spre China și Hong Kong (pe atunci o colonie britanică). Prima parte a traseului a trecut la nord și la vest peste Marea Arafura, cu Noua Guinee la nord-est și continentul australian la sud-vest. Primele insule vizitate au fost Insulele Aru, urmate de Insulele Kai din apropiere. Nava a traversat apoi Marea Banda, atingând Insulele Banda, pentru a ajunge la Amboina (Insula Ambon) în octombrie 1874, continuând apoi spre Insula Ternate. Toate aceste insule fac acum parte din Indonezia.
De la Ternate, ruta a mers spre nord-vest, spre Filipine, trecând la est de Celebes (Sulawesi) în Marea Celebes. Expediția a făcut escală la Samboangan (Zamboanga) în Mindanao, apoi la Iloilo pe insula Panay, înainte de a naviga în interiorul arhipelagului în drum spre golful și portul Manila de pe insula Luzon. Traversarea spre nord-vest de la Manila la Hong Kong a avut loc în noiembrie 1874.
După câteva săptămâni în Hong Kong, expediția a plecat la începutul lunii ianuarie 1875 pentru a reface traseul spre sud-est, spre Noua Guinee. Prima oprire în această etapă de dus a călătoriei a fost Manila. De acolo, au continuat spre Samboangan, dar au luat o rută diferită prin interiorul Filipinelor, de data aceasta atingând insula Zebu. De la Samboangan, nava a deviat de la ruta spre interior, de data aceasta trecând la sud de Mindanao – la începutul lunii februarie 1875.
Challenger s-a îndreptat apoi spre est, în largul mării, înainte de a vira spre sud-est și de a ajunge în Golful Humboldt (acum Golful Yos Sudarso), pe coasta de nord a Noii Guinee. Până în martie 1875, expediția a ajuns în Insulele Amiralității, la nord-est de Noua Guinee. Ultima etapă a călătoriei pe această parte a Pacificului a fost o călătorie lungă prin oceanul deschis spre nord, trecând mai ales la vest de Insulele Caroline și Insulele Mariane, ajungând în portul Yokohama, Japonia, în aprilie 1875.
Challenger a părăsit Japonia la jumătatea lunii iunie 1875, îndreptându-se spre est prin Pacific până la un punct situat la nord de Insulele Sandwich (Hawaii), apoi a virat spre sud, ajungând la sfârșitul lunii iulie la Honolulu, pe insula hawaiiană Oahu. Câteva săptămâni mai târziu, la jumătatea lunii august, nava a plecat spre sud-est, ancorând în Golful Hilo, în largul Insulei Mari din Hawaii, înainte de a continua spre sud și de a ajunge în Tahiti la jumătatea lunii septembrie.
Expediția a părăsit Tahiti la începutul lunii octombrie, virând la vest și la sud de Insulele Tubuai și apoi îndreptându-se spre sud-est înainte de a se întoarce spre est, spre coasta Americii de Sud. Ruta a atins Insulele Juan Fernández la mijlocul lunii noiembrie 1875, Challenger ajungând în portul Valparaiso din Chile câteva zile mai târziu. Următoarea etapă a călătoriei a început în luna următoare, traseul ducând nava spre sud-vest înapoi în Pacific, trecând pe lângă insulele Juan Fernández, înainte de a vira spre sud-est și de a se întoarce spre America de Sud, ajungând în Portul Otway din Golful Penas la 31 decembrie 1875.
Cea mai mare parte a lunii ianuarie 1876 a fost petrecută navigând în jurul vârfului sudic al Americii de Sud, inspectând și atingând multe dintre golfurile și insulele din arhipelagul Patagoniei, Strâmtoarea Magellan și Tierra del Fuego. Printre locațiile vizitate aici se numără Hale Cove, Gray Harbour, Port Grappler, Tom Bay, toate în vecinătatea Insulei Wellington; Puerta Bueno, lângă Insula Hanover; Isthmus Bay, lângă Arhipelagul Regina Adelaide; și Port Churruca, lângă Insula Santa Ines.
Urmările finale, înainte de a se îndrepta spre Atlantic, au fost Port Famine, Sandy Point și Insula Elizabeth. Challenger a ajuns în Insulele Falkland spre sfârșitul lunii ianuarie, făcând escală la Port Stanley și apoi continuând spre nord, ajungând la Montevideo, în Uruguay, la mijlocul lunii februarie 1876. Nava a părăsit Montevideo la sfârșitul lunii februarie, îndreptându-se mai întâi spre est și apoi spre nord, ajungând la Insula Ascension la sfârșitul lunii martie 1876.
Perioada de la începutul până la jumătatea lunii aprilie a fost petrecută navigând de la Insula Ascension la Insulele Capului Verde. De aici, ruta urmată la sfârșitul lunii aprilie și începutul lunii mai 1876 a fost o buclă spre vest, spre nord, până în mijlocul Atlanticului, în cele din urmă virând spre est, spre Europa, pentru a atinge pământul la Vigo, în Spania, spre sfârșitul lunii mai. Ultima etapă a călătoriei a dus nava și echipajul său spre nord-est de la Vigo, ocolind Golful Biscaya pentru a ajunge în Anglia. Challenger s-a întors la Spithead, Hampshire, la 24 mai 1876, după ce a petrecut 713 zile din cele 1.250 petrecute pe mare.