Корабли Фаддея Беллинсгаузена подошли к неизвестному «льдинному материку»
В 1819—1821 годах был начальником кругосветной антарктической экспедиции, отправленной в южнополярные моря. Она состояла из шлюпов «Восток» и «Мирный», последним командовал Михаил Лазарев.
Выйдя 4 июня 1819 года из Кронштадта, экспедиция прибыла 2 ноября в Рио-де-Жанейро. Оттуда Беллинсгаузен сперва направился прямо на юг и, обогнув юго-западный берег острова Южная Георгия, открытого Куком, около 56° ю. ш. открыл три острова маркиза де Траверсе, осмотрел Южные Сандвичевы острова, пошёл к востоку по 59° ю. ш. и два раза отправлялся далее на юг, насколько позволяли льды. Достигнув 69° ю. ш., 16 (28) января 1820 экспедиция открыла Антарктиду; приблизившись к ней в точке 69° 21’ 28" ю. ш. и 2° 14’ 50" з. д. (район современного шельфового ледника), 21 января (2 февраля) участники вторично видели берег, 5 и 6 (17 и 18) февраля экспедиция подошла почти к берегу.
Затем в феврале и марте 1820 года шлюпы разделились и пошли в Австралию по пространству Индийского и Южного океанов, ещё никем до того не посещённым. Из Австралии экспедиция отправилась в Тихий океан, открыла несколько островов и атоллов, посетила другие и вернулась в Порт-Джексон.
В ноябре 1820 года экспедиция опять отправилась в южнополярные моря, посетив остров Маккуори под 54° ю. ш., к югу от Новой Зеландии. От него шлюпы отправились прямо на юг, затем к востоку и 3 раза пересекали Полярный круг. 10 января 1821 под 70° ю. ш. и 75° з. д. Беллинсгаузен встретил сплошной лёд и должен был пойти на север. В январе 1821 открыл между 68° и 69° ю. ш. остров Петра I и берег Александра I, затем подошёл к Южным Шетландским островам, обогнул их и открыл многие вновь. От Южных Шетландских островов взяли курс на Рио-де-Жанейро, а оттуда — через Атлантический океан в Европу. 24 июля (5 августа) 1821 года после 751-дневного похода экспедиция вернулась в Кронштадт.
Поход экспедиции Беллинсгаузена по справедливости считается одним из самых важных и трудных, когда-либо совершённых. Знаменитый Кук в 70-х годах XVIII века первый достиг южнополярных морей и, встретив в нескольких местах сплошной лёд, объявил, что далее его невозможно проникнуть на юг. Ему поверили, и 45 лет не было южнополярных экспедиций.
Беллинсгаузен доказал неверность этого мнения и сделал чрезвычайно много для исследования южнополярных стран посреди постоянных трудов и опасностей, на двух небольших парусных судах, не приспособленных для плавания во льдах. В ходе экспедиции были открыты материк Антарктида и 29 островов, собраны уникальные естественно-научная и этнографическая коллекции, которые хранятся в Казанском университете, сделаны превосходные зарисовки видов Антарктики и обитающих там животных.
Беллинсгаузен попытался выяснить вопрос о возможности прохода в реку Амур морских судов. Попытка оказалась неудачной. Ему не удалось найти фарватер в Амурском лимане. Также ему не удалось из-за погодных условий развеять заблуждения Лаперуза о том, что Сахалин является полуостровом.
По возвращении из плавания Беллинсгаузен был произведён в чин капитана 1-го ранга, через два месяца в чин капитан-командора и награждён «за беспорочную выслугу, в офицерских чинах, 18-ти шестимесячных морских кампаний» орденом Св. Георгия IV степени. В 1822—1825 годах командовал 15-м флотским экипажем, а затем был назначен генерал-цейхмейстером морской артиллерии и дежурным генералом Морского министерства. В 1825 году награждён орденом Св. Владимира II степени. После восшествия на престол императора Николая I Беллингсгаузен был назначен членом комитета для образования флота и в 1826 году произведён в чин контр-адмирала.