Пришлось вернуться к месту зимовки и приступить к ремонту второго коча — «Оби». 18 июня ремонт был закончен, и отряд Малыгина снова отправился вниз по Печоре.
Пройдя от устья Печоры на сорок миль к востоку, вдоль побережья Ледовитого океана, коч встретил тяжелый лед. В течение недели «Обь» пробивалась сквозь льды. Только 29 июня судно подошло к острову Варандей, расположенному у материка, к востоку от Гуляевских Кошек — гряды островков и мелей, отгораживающей Печорскую губу от Баренцева моря; здесь тяжелые льды опять задержали коч. Все попытки продвинуться дальше не увенчались успехом. Погода не благоприятствовала плаванию: из-за большой влажности и низкой температуры воздуха снасти и паруса обледеневали, и управлять ими было невозможно. С большим трудом 22 июля коч подошел к островам Матвеева и Голец. Узнав от встретившихся здесь промышленников, что далее на восток лежит сплошной неподвижный лед, Малыгин решил стать на якорь и ожидать улучшения условий плавания.
3 августа ледовая обстановка несколько изменилась, и судно смогло продолжать плавание. В это время к острову Матвеева пришли из Архангельска построенные для отряда боты «Первый» и «Второй» под командой лейтенантов Скуратова и Сухотина.
7 августа все три судна направились дальше на восток, и уже на следующий день они прибыли в пролив Югорский Шар и стали на якорь у острова Вайгач, между мысами Сухим и Перевозным.
Ледовые условия в Карском море, куда должны были идти корабли, были весьма неблагоприятны Югорский Шар и море к востоку от острова Вайгач были покрыты сплошным неподвижным льдом.
Дальнейшее плавание становилось опасным. Коч вряд ли мог выдержать предстоящую борьбу со льдами. Поэтому Малыгин, перейдя на бот «Первый», отправил «Обь» под командованием лейтенанта Сухотина в Архангельск, а командиром «Второго» назначил лейтенанта Скуратова. Более двух недель простоял отряд Малыгина в Югорском Шаре и только 24 августа пробился сквозь лед и вышел в Карское море.
Дойдя до острова Мясной (или Местный), расположенного в двенадцати милях к востоку от входа в Югорский Шар, суда снова были вынуждены стать на якорь.
На созванном Малыгиным 4 сентября совещании офицеров, унтер-офицеров и кормщиков экспедиции было решено зазимовать в устье реки Моржовки (теперь река Таутей), протекающей по западному берегу Ямала (в пятнадцати милях к северу от Шараповых Кошек).
Тринадцать дней простояли суда у острова Мясного. За это время участники экспедиции описали остров и прилегающие к нему берега материка, зафиксировали наблюдения над приливами и поведением компаса, описали небольшие речки, впадающие в этом районе в море, и определили широту места.
5 сентября сильным юго-западным ветром льды отогнало от берегов, и, воспользовавшись этим, Малыгин повел свои суда на юго-восток, вдоль берегов Югорского полуострова, потому что "в море, по надлежашему… курсу, не малые льды видимы были, и пройти было весьма безнадежно". Суда продвигались медленно, так как лавировать в узком проходе между берегом и стоячими льдами было трудно. 11 сентября Малыгин достиг устья реки Кары. Здесь экспедиция определила широту и долготу места, измерила глубину губы и устья реки и нашла фарватер для прохода судов в губу.
Малыгин снова собрал совет, на котором было принято решение во что бы то ни стало, несмотря на позднее время года, пробиваться на восток. Суда вышли в море и взяли курс на северо-восток. Вскоре они были снова зажаты тяжелыми льдами и лишены возможности двигаться. Сплошной ледяной покров простирался до самого горизонта.
Частые и сильные сжатия льдов грозили раздавить суда. Малыгин вынужден был отказаться от первоначального плана идти на зимовку к восточным берегам Ямала и повернул к устью Кары. Поднявшись на шестьдесят пять километров вверх по реке и выбрав удобное место для стоянки судов, отряд 26 сентября 1736 года стал на зимовку.
6 ноября к месту зимовки прибыл сухопутный отряд геодезиста Василия Селифонтова, который еще ранней весной был отправлен из Пустозерска на оленях для описи берегов полуострова Ямал. Пройдя большеземельскую тундру, Селифонтов пересек Югорский полуостров, южную часть Ямала, достиг западных берегов Обской губы и отсюда направился на север. В течение июля и августа он закартографировал и сделал опись восточных и западных берегов Ямала, установил по побережью большое количество приметных знаков (маяки, гурии — холмики из камней) и определил расстояние между ними, осмотрел устья рек, впадающих в Обскую губу и в Карское море, измерил их глубины и течения, осмотрел южные берега острова Белого и выполнил ряд других работ и наблюдений. Работа Селифонтова оказала большую помощь Малыгину при осуществлении им главной задачи экспедиции — плавания вокруг Ямала в Обь.
С приходом отряда Селифонтова число людей на зимовке увеличилось. В связи с этим в целях экономии продовольствия Малыгин с большей частью экипажей судов переехал на оленях в Обдорск (теперь Салехард). На месте зимовки осталось двенадцать человек во главе с подштурманом Великопольским.
С наступлением светлых дней Малыгин вновь направил отряд геодезиста Селифонтова для картографии берегов острова Белого, а сам с людьми, зимовавшими в Обдорске, в начале мая возвратился к месту зимовки и начал готовиться к дальнейшему плаванию.
В начале июня река Кара вскрылась, но море еще было покрыто льдом, и суда до 1 июля 1737 года задержались в устье Кары, где картографировали берега. 4 июля, когда ледовая обстановка несколько улучшилась, суда продолжили путь и 9 июля достигли южной части Байдарацкой губы. Здесь отряд находился несколько дней, производя измерение глубин и наблюдая приливо-отливные явления. 12 июля суда снялись с якоря, достигли берегов Ямала и вдоль них стали пробиваться на север. К 18 июля Малыгин достиг устья реки Юрибей, а через три дня прошел Мутную губу и Шараповы Кошки и к утру 23 июля вышел в пролив, отделяющий полуостров Ямал от острова Белого (теперь пролив Малыгина). Здесь он встретился с Селифонтовым, от которого узнал, что картографирование северных берегов острова не выполнено из-за отсутствия на острове корма для оленей.
Сильный встречный ветер и течения, частые туманы, трудность лавирования в узком проливе, изобиловавшем многочисленными отмелями, надолго задержали Малыгина в этом районе. Однако он не терял времени даром: отряд изучил течения, характеристики морских вод, во многих местах измерил глубину пролива, определил широту и долготу места.
Только 16 августа, при сильном северо-западном ветре, отряд смог продолжать путь на восток и через сутки, обогнув Ямал, вошел в Обскую губу. Впереди лежало свободное ото льда море, и Малыгин беспрепятственно продвигался на юг, нанося на карту западные берега Обской губы.
11 сентября Малыгин достиг устья Оби. Работы отряда приближались к концу. 1 октября суда прибыли в Березов и стали на зимовку.
Здесь Малыгин разместил участников экспедиции по квартирам, передал командование отрядом лейтенанту Скуратову, а сам отправился в Петербург докладывать Адмиралтейств-коллегий о проделанной работе.
За время плавания отряд Малыгина описал и нанес на карту все побережье от Югорского Шара до устья Оби, определил широты нескольких пунктов, произвел наблюдения над состоянием льдов, течениями, приливами и земным магнетизмом, определил судоходность впадающих в Карское море и в Обскую губу рек, измерил глубину моря и Обской губы, установил возможность богатого промысла белухи и другого морского зверя в прибрежной полосе Карского моря и в Обской губе и собрал много других полезных сведений.
Оценивая работу С. Г. Малыгина и его спутников, известный русский мореплаватель Ф. П. Литке писал: "…Препятствия физические были столь велики, а, напротив, средства, им данные, столь недостаточные, что более должно удивляться тому, что совершено ими, нежели тому, что не сделано".
Нельзя забывать, что экспедиция была снабжена весьма примитивными мореходными инструментами, что методы наблюдений в то время были далеко не совершенными. И, несмотря на это, С. Г. Малыгину удалось составить первую карту, которая давала более или верное представление о побережье Северного Ледовитого океана от Югорского Шара до устья Оби. Эта карта была использована при составлении сводной карты Великой Северной экспедиции, а очертания южных берегов Карского моря в том виде, как они были определены Малыгиным, в течение долгого времени сохранялись на картах мира. Интересные и весьма разносторонние географические сведения, собранные Малыгиным о крае, до этого еще мало известном науке, принесли ему вполне заслуженную славу выдающегося полярного исследователя и мореплавателя. Большая их часть до сих пор не утратила своего значения.
В феврале 1738 года Малыгин прибыл в Петербург, привезя с собой материалы работ отряда (журналы, карты и записи). 9 марта Малыгин доложил Адмиралтейств-коллегий о результатах научных наблюдений и исследований и представил на утверждение отчет об израсходовании денег и продовольствия. Адмиралтейств-коллегия высоко оценила результаты работ Малыгина и поручила профессорам Морской Академии составить на основании представленных им записей «экстракт», полезный для мореплавания. Характеризуя плодотворную и успешную деятельность Малыгина как полярного исследователя, Ф. П. Литке писал, что Малыгин исполнил все, "что ему было положено", и отличился "всеми достоинствами, коими мы удивляемся в первейших и наиболее славнейших мореходах: решительностью и неутомимостью".
