Свое первое путешествие по северным районам Миддендорф совершил пешком, а также в лодке в сопровождении двух саами, местных жителей. Ему удалось пересечь весь Кольский полуостров с севера на юг, от Колы до Кандалакши, проделав трудный путь протяженностью 230 верст. Путешественнику пришлось по дороге мерзнуть и мокнуть. В одном месте лодка перевернулась на порогах, и он вместе с багажом очутился в воде.
Молодой ученый собрал отличную коллекцию минералов и горных пород. Значительны были и зоологические сборы. В пути он охотился за птицами и производил наблюдения над ними. В результате ему удалось зарегистрировать 75 видов птиц Кольского полуострова. Кроме того, он собрал путем расспросов местных жителей сведения о животных, проживающих на полуострове (речном бобре, северном диком олене и проч.).
В пути ученый провел ряд геодезических измерений и внес существенные поправки в карты, которыми он пользовался во время похода. Миддендорф произвел также некоторые геологические наблюдения. Следуя через Хибины, он поднимался, рискуя жизнью, на одну из высоких вершин, уже покрытую снегом.
В 1841 году Академия наук приняла решение организовать экспедицию для изучения Таймыра как «наиболее широкой полосы Земли, наиболее выдвинутой к северу… для исследования касательно распределения органических тел». Инициатор посылки академической экспедиции именно на Таймыр академик К. М. Бэр отметил в связи с этим: «Эта одна только из арктических стран на всем неизмеримом протяжении Сибири, которая еще никогда не была посещаема естествоиспытателем. Сколько известно, по ту сторону Туруханска (то есть к северу от него, в районе Сибири между реками Енисеем и Хатангой) никогда не заходил образованный человек, кроме одного студента (будущего академика В. И. Зуева), которого Паллас отрядил туда, но который не дошел до Ледовитого моря, и одного флотского офицера с двумя штурманами (лейтенанта X. Лаптева, штурмана С. Челюскина, геодезиста Чекина) в царствование императрицы Анны Иоанновны, которые одни только посетили реки Пясину и Хатангу. Знакомство с тамошним краем до того простирается, что в ответах на запросы, посланные за несколько лет Академиею в Туруханск, упоминается о народе «долганах», о которых прежде вовсе и не слыхали. Совершенно не знакомы и естественные произведения этой страны. Из давнишних известий оказывается, что близ устья Хатанги есть значительное местонахождение каменного угля, которым можно б было воспользоваться в тамошней безлесной стране».
Затем экспедиции поручалось «исследовать оледенелость земли как можно основательнее и во всех направлениях». Для этой цели предполагалось провести наблюдения в вырытой ранее в Якутске шахте глубиной 116 метров. Кроме того, экспедиция должна была в различных районах Сибири «пробуравить землю для освидетельствования, в каком отношении состоит эта оледенелая земля ко внешней температуре, как далеко она простирается в Сибири и какого рода могут прозябать в ней растения». Таким образом, речь шла об изучении в то время неизученного и загадочного явления вечной мерзлоты.
По рекомендации академика К. М. Бэра руководителем экспедиции назначили А. Ф. Миддендорфа. Впоследствии Бэр писал:
«Я с полным убеждением, мог сказать Академии: вот человек, которому можно доверить исследование самых северных пределов материка. Своей двустволкой он, в случае нужды, может доставить небольшой экспедиции средства к существованию… Как хороший моряк, он добудет лодку и там, где ее нет, употребит воду вместо вьючного, а ветер вместо упряжного скота. В комиссии, учрежденной для начертания плана путешествия, я поэтому именно поддерживал то мнение, что экспедиция в отношении к числу людей должна быть маленькая — род рекогносцировки: небольшой отряд уйдет дальше и воротится легче».
Академия наук обратилась в Министерство просвещения, в ведении которого находился Киевский университет, где работал кандидат в начальники экспедиции. Была высказана просьба отпустить А. Ф. Миддендорфа в экспедицию, так как он «и по своим познаниям, и по навыку к телесным напряжениям и решимости характера не оставляет ничего лучшего желать».
Ректор Киевского университета задержал Миддендорфа для чтения лекций до весны следующего года, поэтому было принято решение отложить экспедицию до осени 1842 года. Только 14 ноября 1842 года Миддендорф с датчанином Тором Брандтом (лесоводом) и эстонцем М. Фурманом (служителем и препаратором) выехали из Петербурга в Сибирь. В Омске к экспедиции присоединился 22-летний унтер-офицер, военный топограф Василий Ваганов. Из Омска Миддендорф ездил в Барнаул, чтобы получить в распоряжение экспедиции разборный станок для бурения скважин. Он предполагал использовать его для определения распространения и глубины залегания мерзлых почв в Сибири.
В начале 1843 года экспедиционный отряд по льду Енисея из Красноярска добрался до Туруханска, где были проделаны в грунте скважины на глубину до 14 метров, но удалось обнаружить лишь сезонную мерзлоту. В апреле экспедиция на собаках по льду Енисея добралась до Усть-Курейки, а далее на оленях проследовала в устье реки Дудинки. Там отряд вынужден был задержаться, так как двое участников экспедиции заболели тяжелой формой краснухи, свирепствовавшей в тех краях. Во время эпидемии, когда заболели многие местные жители, Миддендорф самоотверженно лечил больных и спас многих ненцев и долган от смерти.
Только тогда, когда эпидемия пошла на спад и больным стало легче, отряд на оленях проследовал на северо-восток через озеро Пясино вверх по реке Дудыпте и достиг низовьев реки Боганиды (система Хатанги). По пути были собраны первые сведения о Норильском районе, о скалистых хребтах Норильские камни и реке Норильской.
Для проведения научных наблюдений Брант и Фурман с казаком Томилиным остались в селении Коренное-Филипповское на реке Боганиде, а Миддендорф и Ваганов с Титом Лаптуковым (проводником и толмачом, знавшим язык долган и ненцев), с казаками Егором Давурским и Василием Седельниковым двинулись к северу и в середине июня достигли реки Верхняя Таймыра.
Была обследована сама река и перевезено снаряжение из базового лагеря. На берегу реки отряд простоял до конца июня. За это время удалось собрать лодку, привезенную туда в разобранном виде. Миддендорф вспоминал позднее: «Лодку мы собственноручно построили вдвоем с одним из моих людей, который ничего не смыслит в этом деле, но у которого, однако, по-русски топор в руках был и стругом, и долотом, и пилой — словом, инструментом универсальным». Река очистилась ото льда 6 июля, и путешественники на лодке, названной «Тундра», отправились вниз по реке к озеру Таймыр.
Там отряд расстался с сопровождавшими долганами и их вождем Тойчумом. Часть груза, вся зимняя одежда и запас пищи — 150 лососей были зарыты в землю до возвращения. Из-за непрерывных северных ветров экспедиция вынуждена была оставаться на месте. Вынужденная стоянка была использована для пополнения коллекций и научных наблюдений.
Наконец ветер стих, и экспедиция поплыла к северу. Был открыт остров, названный именем филолога академика Бетлингка, затем лодка подошла к истоку реки Нижняя Таймыра. Быстрое течение понесло лодку к морю через глубокую теснину. На Нижней Таймыре (почти под 75° северной широты) был обнаружен скелет мамонта.
Наконец путешественники приблизились к устью реки. Впереди простирался Таймырский залив Карского моря. Лодка пристала к скалистому острову, названному Миддендорф ом в честь академика Бэра. На следующий день экспедиция попыталась пройти к морю, но дорогу преградила обширная мель. Задул северный ветер. Заканчивались продукты, были съедены последние сухари. Начальник экспедиции решил возвращаться.
Обратный путь был исключительно трудным, ведь теперь лодка шла против течения. Не раз путешественники тащили лодку бечевой, бредя по воде, так как уровень воды резко упал. Порыв ветра 1 сентября бросил лодку на скалу, был сломан руль и поврежден борт. Наконец путешественники достигли озера Таймыр.
Миддендорф решил пройти к западному берегу озера, но полоса льда преградила путь. Пришлось путь прорубать топорами. Когда до чистой воды оставалось совсем немного, началось сжатие, при котором корпус лодки был сильно поврежден. К счастью, впереди образовался разлом, и путешественники сумели при напряженной гребле довести полузатопленную лодку до берега. При этом были потеряны геодезические инструменты, часть коллекций, рыболовные сети.
Путешественники из остатков лодки сколотили салазки и потащили их на юг, к Верхней Таймыре, в надежде встретить там ненцев. Вскоре салазки развалились. Из-за отсутствия продуктов отряду грозила голодная смерть. И тогда больной Миддендорф решил остаться на месте с коллекциями, а четырех своих спутников отправил на юг, о чем рассказано в начале очерка.
