Вернувшись из экспедиции, Беринг предложил правительству план новой большой экспедиции и выразил готовность принять в ней участие. В 1733 году он был назначен начальником Второй Камчатской экспедиции.

 Его помощником («товарищем») стал А.И. Чириков, к этому времени уже капитан. Их задачей было «обыскание (т. е. исследование) американских берегов от Камчатки». Одновременно М.Шпанберг должен был плыть к Японии и установить с ней связь, а несколько отрядов – нанести на карты северные берега России от Печоры до крайнего северо-востока и по возможности до Камчатки. Был также сформирован Академический отряд, задачей которого было исследование внутренних районов Сибири. Северные отряды работали самостоятельно, однако вся их деятельность контролировалась В.Берингом. Работа экспедиции была рассчитана на шесть лет. 

В начале 1734 г. В. Беринг собрал всех участников экспедиции в Тобольске. Отсюда вышли несколько сухопутных партий геодезистов для изучения побережья океана. Сам Беринг направился в Якутск, где ему пришлось провести три года.

 Там под его руководством были построены железоделательный завод и канатная мастерская, организованы сбор смолы, изготовление такелажа для судов и отправка в Охотск снаряжения и продовольствия для отряда М.Шпанберга.

 Всего в Якутске собралось около 800 участников экспедиционных отрядов. Местная администрация, которую раздражала неподкупность и требовательность Беринга, чинила препятствия заготовке продовольствия и снаряжения, писала на упрямого «немца» доносы в Петербург. Однако В.Беринг покинул Якутск, лишь убедившись, что команда вполне обеспечена провизией. 

В Охотске ему также пришлось столкнуться с беспорядком и коррупцией местных властей. Столичное же начальство, как водится на Руси, доверяло доносам бездельников и взяточников, а не рапортам честного и педантичного Беринга. 

Наконец, в начале сентября 1740 года В.Беринг отплыл из Охотска на двух 200-тонных судах с экипажами в 75 человек. Корабли были названы по именам апостолов Христа – «Св. Пётр» и «Св. Павел». Экспедиция провела зиму на восточном берегу Камчатки, у Авачинской губы. А 4 июня 1741 года, через восемь лет после отъезда из Петербурга, корабли Беринга и Чирикова вышли к берегам Америки. 

В составе экспедиции были молодой учёный Георг Вильгельм Стеллер и Свен (Ксаверий) Лаврентьевич Ваксель, оставившие интересные описания этого плавания.
Как упоминалось выше, на немецкой карте, которой пользовался Беринг, была нанесена мифическая «Земля Жуана-да-Гама». В поисках этой несуществующей земли В. Беринг пошел сначала на юго-восток, к указанным на этой карте координатам. Потеряв напрасно больше недели и убедившись, что никакой суши в этой части океана нет, корабли взяли курс на северо-восток. 

Но 20 июня на море пал густой туман, и корабли навсегда разлучились. С этого дня «Св. Пётр» и «Св. Павел» совершали плавания в автономном режиме.