Фердинанд Петрович тщательно готовил экспедицию. Зимой 1819—20 года он сам занимался математикой, астрономией, физикой и минералогией. Для участия в экспедиции он пригласил мичмана Ф.Ф. Матюшкина, штурмана П.Т. Козьмина – людей, которых хорошо знал и был в них уверен. Большую помощь Врангелю оказал иркутский генерал-губернатор М.М. Сперанский, взяв экспедицию под свое покровительство.
На Крайнем Севере Врангель пробыл четыре года. То время, когда позволяли погодные условия (весна-лето), он занимался исследованиями побережья, а зимой на базе в Нижнеколымске шла обработка полученных материалов. Результаты экспедиции были высоко оценены учеными-географами. Врангелю удалось сделать ценные ледовые, геомагнитные и климатические наблюдения, собрать сведения о природных богатствах края и о населяющих его народах. Участники смогли удалиться от берега на 260 километров в попытках найти новые земли, используя рассказы местных жителей об их существовании. Новые земли найдены не были, но Фердинанд Петрович был уверен, что такие земли есть. Он писал в дневнике: «Если же на Севере существует земля, то для открытия ее должно быть предпринято путешествие после безбурной, морозной зимы от мыса Якана, где, по показаниям жителей, неизвестная страна наиболее сближается с берегом азиатского материка». Он даже нанес на карту место, где находится новая земля, снабдив отметку надписью: «Горы видятся с мыса Якан в летнее время». (В 1867 году рядом с отмеченным Врангелем местом на карте американец Лонг действительно нашел новую землю – остров стал носить имя Врангеля.)
В 1824 году, получив предписание о прекращении работ, Врангель вернулся в Петербург. Его деятельность на Севере была высоко оценена и императором Александром I, который наградил Фердинанда Петровича орденом Св. Владимира 4-й степени. Осенью того же года Врангель назначается командиром военного транспорта «Кроткий». Он должен был доставить на Камчатку оружие, продовольствие и снаряжение для русских поселенцев. С августа 1825-го и до сентября 1827 года длилось это плавание. Вернувшись в Петербург, Врангель представил в Морское министерство подробный отчет об этом путешествии, но он так и не был напечатан. Только в 1882 году были опубликованы метеорологические, гидрологические и океанологические наблюдения Врангеля во время этого путешествия, которые частично сохранились в министерском архиве.
В 1829 году Врангель был произведен в звание капитана 1-го ранга и принял должность главного правителя североамериканских русских колоний. В ноябре 1830 года он вместе с семьей прибыл в Ситху, где и оставался пять лет, управляя колониями. По окончании службы Фердинанд Петрович посетил Калифорнию, побывал в Мексике, и оттуда летом 1836 года он прибыл в Кронштадт.
В августе он был произведен в контр-адмиралы и назначен директором Департамента корабельных лесов. Через два года к этой должности прибавилась еще одна – Фердинанд Петрович избирается заведующим делами русских колоний в Америке, а с 1840 года – и главным директором Российско-американской компании.
Врангелю принадлежит выдающаяся роль в создании Русского географического общества. Вопрос о его организации начал обсуждаться в 1844 году. Им и его сподвижниками, Литке и Бэром, были разработаны проект и устав общества. И 7 октября 1845 года состоялось первое собрание членов общества. Врангель был избран председателем отделения общей географии. При обществе им был создан особый комитет, занимающийся вопросом о снаряжении научной экспедиции в Русскую Америку.
В 1849 году из-за разногласий с начальником Морского штаба Меншиковым Фердинанд Петрович подает в отставку и уезжает в свое имение Руиль в Эстляндской губернии. Но его опыт и знания вскоре снова были востребованы правительством – 58-летний контр-адмирал стал директором Департамента гидрографии, затем председателем комиссии по пересмотру морских уголовных законов. В 1855 году он выбирается председателем ученого комитета и инспектором штурманов.
Чин адмирала Врангель получил в 1856 году, и в том же году он стал управляющим Морским министерством. Его кипучая деятельность, огромная энергия, воля и также колоссальная работоспособность позволяли ему успевать делать множество дел. По его инициативе был создан Технический комитет, ведавший вопросами технического перевооружения флота. Он уделяет много внимания и недавно созданному журналу «Морской сборник». Врангель ставит вопрос о необходимости развития на Черном и Каспийском морях купеческого транспортного флота, назначает морских офицеров городовыми начальниками в портах на Черном и Азовском морях. Непомерное напряжение сил подорвало его здоровье, и в 1864 году Врангель окончательно выходит в отставку.
Узнав о продаже русским правительством Аляски в 1867 году, Фердинанд Петрович весьма отрицательно отнесся к этому. Последние шесть лет жизни он провел в уединении, но не переставал заниматься научной деятельность. Ежедневно, пока мог выходить из дома и снимать показания приборов, он вел метеорологические наблюдения и запись в дневнике.
