В конце XVII - начале XVIII в. наступил новый период развития исследований в России, связанный с государственной политикой Петра I. Широко задуманные преобразования страны потребовали расширения сведений о природе, населении и хозяйстве, составления географических карт с точным обозначением государственных границ, рек, морей, путей сообщения.
Особое значение отводилось плохо изученным, но в то же время стратегически важным регионам. В частности, пристальному вниманию русских ученых XVIII века подвергались земли Сибири и Дальнего Востока. «Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном», — сказал М. В. Ломоносов.
С 1720 по 1727 гг. длилась экспедиция Даниила Готлиба Мессершмидта в Сибирь, в ходе которой был собран и обработан колоссальный материал по этнографии, географии, ботанике, зоологии, лингвистике и другим областям науки. Составленный Д. Г. Мессершмидтом путевой дневник был использован и частично опубликован во второй половине XVIII в. Палласом и Стеллером.
[Санакоев В.В. Петр I Великий. 1990-е гг.]

В конце 1724 - начале 1725 г. Петр I подготовил инструкцию и указ об экспедиции, получившей название Первой Камчатской. Руководителем экспедиции был назначен офицер русского флота, выходец из Дании Витус Беринг, его помощниками — морские офицеры А. И. Чириков М. П. Шпанберг (датчанин по происхождению). Значение этой экспедиции было велико: в частности, был собран материал, который доказывал, что между Азиатским и Американским материками должен быть пролив. В результате работ Первой Камчатской экспедиции была составлена достаточно верная карта побережья Северо-Восточной Сибири. Однако оставались неисследованными все северные берега Сибири, не было точных сведений о взаимном расположении и очертаниях берегов Азии и Америки, об островах в северной части Тихого океана, о пути от Камчатки до Японии. Недостаточны были знания и о внутренних районах Сибири.
Внести ясность в эти вопросы было поручено Второй Камчатской экспедиции, состоявшей из морской части под управлением Беринга, Чирикова и Шпанберга и сухопутной под руководством профессоров (академиков) недавно созданной Петербургской Академии наук И. Г. Гмелина и Г. Ф. Миллера. Участниками экспедиции были также адъюнкт Академии Г. В. Стеллер и студент С.П. Крашенинников. В составе экспедиции были морские северные отряды, исследовавшие побережье Северного Ледовитого океана, которые фактически работали самостоятельно (отсюда другое название всего предприятия — Великая Северная экспедиция). Среди участников экспедиции были пробирные мастера, моряки, художники, геодезисты, переводчики и технический персонал общей численностью до 2 тыс. человек. Разделенная на несколько отрядов, Великая Северная экспедиция исследовала огромные территории Сибири, побережья Северного Ледовитого океана и северную часть Тихого океана. В результате десятилетних трудов (1733-1743) были получены ценные географические, исторические, этнографические и другие данные о внутренних районах Сибири, обследованы Камчатка и Курильские острова, достигнуты берега Северо-Западной Америки и Японии, открыты некоторые Алеутские острова. Были нанесены на карту тысячи километров побережья Северного Ледовитого океана от Карского моря до мыса Баранова, расположенного восточнее устья р. Колымы.
Одним из результатов экспедиции явилось сочинение Гмелина «Флора Сибири» (1747-1769), содержавшая описание 1178 видов растений, многие из которых были описаны впервые. Студент (а впоследствии академик) С. П. Крашенинников, изучавший Камчатку, опубликовал ряд сочинений, и среди них двухтомное «Описание земли Камчатки» (1756), впервые познакомившее мир с природой и населением этого полуострова. В своем труде С.П. Крашенинников охарактеризовал, помимо прочего, фауну Камчатки, описав несколько десятков видов населяющих ее млекопитающих, птиц и рыб, сообщил сведения об их географическом распространении и образе жизни, о хозяйственном значении камчатских животных и о перспективах животноводства на Камчатке. Здесь содержались также материалы по фауне Шантарских и Курильских островов, о нерестовых миграциях рыб из моря в реки; он собрал сведения и о растениях Камчатки, особенно имеющих практическое значение. Книга Крашенинникова была переведена на английский, голландский и немецкий языки. Третий участник экспедиции - зоолог Стеллер, использовав свои наблюдения, а также данные, собранные Крашенинниковым, в 1741 г. написал широко известное сочинение «О морских животных», в котором содержатся описания названной его именем морской коровы, калана, сивуча и котика. Перу Стеллера принадлежат также труды по ихтиологии, орнитологии и географии и книга «Путешествие от Камчатки к Америке вместе с капитан-командором Берингом» (1793).

Исследовательские и картографические работы продолжались и во второй половине XVIII века. Пути для расширения научных поисков, начатых еще при Петре I, определила Екатерина II. Она активно интересовалась устройством и богатствами своей империи, и идея комплексного исследования страны с целью узнать её геологические, минералогические, животные и растительные ресурсы, а также выявить исторические, социально-экономические и этнографические особенности отдельных регионов возникла у императрицы после завершения собственного путешествия по Волге от Твери до Симбирска в 1767 году. О таком исследовании мечтал еще М. В. Ломоносов.
Вскоре по распоряжению Екатерины II была начата организация академических экспедиций, состоявших из нескольких «астрономических» и «физических» отрядов. В задачу шести «астрономических» отрядов входило наблюдение за прохождением Венеры через диск Солнца в июле 1769 года и вычисление солнечного параллакса (тем самым предоставлялась возможность более точно определить расстояние между Землёй и Солнцем). «Физическая» экспедиция состояла из пяти отрядов: трёх в Оренбургскую губернию (отряды академиков И. И. Лепехина, П. С. Палласа, И. П. Фалька) и двух в Астраханскую (отряды академиков С. Г. Гмелина и И. А. Гильденштедта). В их задачу входило комплексное исследование природы, хозяйства и населения этих регионов. В ходе экспедиции участники вели детальные записи по местной географии, минералогии, ботанике, зоологии, этнографии, сельскому хозяйству, торговле и производствам. Исследования продолжались в течение шести лет и дали огромное количество материала по географии и геологии, ботанике и зоологии, этнографии и истории большей части страны. Эти материалы были проанализированы и легли в основу многочисленных научных трудов.
Большое значение имела Северо-Восточная экспедиция И. Биллингса и Г. А. Сарычева — крупнейшее со времен Витуса Беринга исследование восточной Сибири и Тихого океана, также продолжавшееся почти 10 лет (1785-1793). Фактически эта экспедиция была ответом на третье путешествие Дж. Кука: Екатерина II, которую не удовлетворили результаты экспедиций Чичагова (1765-1766) и Креницына-Левашева (1764-1769), почувствовав экономическую и политическую угрозу, велела организовать большую экспедицию на север Тихого океана, чтобы упрочить колониальные притязания России в том регионе и предупредить конкурентные планы Европы. Не случайно начальником экспедиции был назначен Иосиф Биллингс, участник третьего плавания Кука. Согласно плану, составленному П. С. Палласом, ему надлежало исследовать полуостров Чукотка и другие земли возле Якутска, а также совершить несколько путешествий к Берингову проливу, на Алеутские острова и Аляску.
Экспедиция Биллингса–Сарычева обозначила новую эру колониальных устремлений России и собрала важные научные данные. В частности, впервые были составлены карты внутренних частей Чукотки. Г. А. Сарычев, ближайший помощник Биллингса, одним из первых использовал для астрономических работ только что появившиеся в России секстаны, хронометры и ахроматические телескопы, ввел в практику метод прибрежной описи с байдар или малых гребных судов, оказавшийся весьма удобным при работах в шхерных районах. Вышедшая в двух частях в 1802 г. книга Сарычева с описанием экспедиции и посещенных ею мест служила таким же неизменным пособием для мореплавания, каким является лоция. В 1803 г. был подготовлен атлас, содержащий 50 карт, составленных участниками экспедиции, - первых в России карт, на которых ведется счет долгот от Гринвичского меридиана. В 1804 году вышел важнейший теоретический труд Сарычева по гидрографии — «Правила, принадлежащие к морской геодезии, служащие наставлением, как описывать моря, берега, острова, заливы, гавани и реки, плавая на больших парусных и малых гребных судах, также и идучи с мерою по берегу, с показанием, как сочинять морские карты и на оных располагать описанные места».

Таким образом, академические экспедиции 1768-1774 гг. были одним из самых важных проектов конца XVIII в. Вот какую оценку дает им И. Е. Срезневский в книге «Дух Екатерины Великия, Императрицы и Самодержицы Всероссийския, премудрыя матери Отечества», изданной в 1814 году: «В царствование Екатерины Великия Российская Академия Наук еще более приобрела знаменитых членов и сделалась несравненно полезнее для отечества - во-первых, ежемесячными сочинениями, которыя, будучи магазином исторических и других любопытных сведений, распространяли их в Государстве; во-вторых, путешествиями Ея профессоров по всем обширным странам России: намерение великое, достойное Екатерины! исполнение, достойное намерения! Епоха важная в ученой истории нашего Государства и целаго мира! Сии избранные мужи должны были от берегов Невы до гор Рифейских, до морей Азовскаго, Каспийскаго и далее, видеть и описать Россию в трех царствах природы, проникнуть во внутренность пустынь, в глубину пещер и лесов дремучих, где око наблюдателя еще никогда не примечало за творческою натурою, где она искони действовала уединенно, или пред свидетелями не внимательными; исчислить минералы в недрах земли, растения на зеленых коврах ея, животных в трех стихиях, и таким образом собрать богатства для Российской естественной истории. Сим предметом еще не ограничились труды их: Монархиня желала, чтобы они исследовали все исторические монументы в нашей империи, замечали следы народов, которые от стран Азии преходили Россию, сами исчезли, но оставили знаки своего течения, подобно рекам иссохшим; желала, чтобы они в развалинах, среди остатков древности, как бы забытых временем, искали откровений прошедшаго; чтобы они в нынешних многочисленных народах Российских узнавали их неизвестных предков, разбирая языки, происхождение и смесь оных; чтобы они, наблюдая обычаи, нравы, понятия сих людей, сообщили Историку и Моралисту новыя сведения, а законодетелю новыя средства благодеяния – Повеления были исполнены, и не только Россия, но и вся Европа, не только ученые, но и все любопытные читают с удовольствием и пользою драгоценное описание сих путешествий».

Географические и другие исследования необъятной территории Российской империи приобрели в XVIII в. большой размах. Это был удивительный по своим масштабам исследовательский штурм отдаленных окраин страны, внесший много нового в мировую науку, и если в XVII в. географические открытия совершались в основном землепроходцами, казаками, служилыми людьми, то в XVIII в. ведущая роль в географических открытиях принадлежит ученым и морским офицерам.
Исследования, начатые во второй половине XVIII века по инициативе Екатерины II, были продолжены в XIX веке. Это относится как к кругосветным плаваниям и исследованиям дальневосточных берегов и морей, так и к экспедициям во внутренние районы России — на Урал, в Сибирь, в Среднюю Азию и некоторые части Европейской России – с целью уточнения и углубления представлений о географии и экономике обширных районов страны. Ученые XIX века осознавали себя прямыми продолжателями традиций екатерининских времен.
Когда в 1818 г. по инициативе президента Российской Академии С. С. Уварова было предпринято третье издание материалов ученых путешествий, вот что говорилось в предисловии к этому изданию: «Успехи большей части наук в неразрывной находятся связи с успехами общих познаний о земном шаре, нами обитаемом. (…) Главной к тому способ подают путешествия ученых, одаренных основательностью ума и знаний, притом проницательных, решительных, деятельных… Такими, хотя не редко затруднительными способами достигли наконец до нынешних сведений о естественном состоянии земель, о произведениях, о промыслах, искусствах, фабриках, ремеслах, о торговых сношениях, и даже о языках, о нравах, обычае, образе жизни, о выгодах и недостатках каждого народа. (…) Основательные сведения о внутренности России всегда черпали из записок Академиков; и в сем смысле труды их незабвенны; но во всех отношениях время течет для нас исполинскими шагами. С тех пор как Академики путешествовали, многие предметы взяли другой вид. Сии изменения нужно доводить до сведения Академии, дабы она могла с точностью решить, что было, и чего не стало, что созрело и развилось – и что исчезло невозвратно. Мудрое правительство призывает всех к лучшему познанию Отечества во всех его Естественных выгодах и недостатках… и налагает на каждого Гражданина обязанность, обращать внимание на самого себя и на окружающие его предметы, и давать в них отчет себе и Отечеству».