Сухопутный академический отряд выехал из Петербурга в начале августа 1733 года. В общей сложности его деятельность продолжалась почти 13 лет. Во главе отряда были поставлены французский профессор астрономии Людовик Делакроер, профессор Герхард Фридрих Миллер, а также немецкий натуралист и естествоиспытатель Иоганн Георг Гмелин.
В конце октября 1733 года отряд прибыл в Казань, где начал организацию метеорологических наблюдений. В конце декабря этого же года добрался до Екатеринбурга. В дальнейшем академики проследовали маршрутом от Тобольска до Усть-Каменогорска. По пути они описывали быт народов, работали с архивными документами, изучали флору и фауну, проводили геологические исследования, археологические раскопки, собирали коллекции редких растений.
В сентябре 1736 года отряд прибыл в Якутск, где между профессорами и командором Витусом Берингом начались разногласия. Сыграли свою роль трудности пути и снабжения экспедиции. В такой атмосфере Миллер и Гмелин отказались ехать на Камчатку. Для исследования на полуостров был направлен ботаник Степан Петрович Крашенинников, который затем напишет знаменитую книгу «Описание земли Камчатки» (1756).
Позже Гмелин и Миллер подали прошение об отставке, но не получили никакого ответа. В то же время уже заканчивались сроки, выделенные на экспедицию, а учёные перестали получать жалованье. Вместе с Берингом в дальнее плаванье отправился только немецкий врач Георг Стеллер. Именно он на месте определил научный факт достижения экспедицией Беринга берегов Америки и один из первых ступил на землю Аляски.
Миллер и Гмелин путешествовали по Сибири, пока им не было предписано вернуться в Петербург в 1743 году. Делакроер в 1740 году соорудил обсерваторию для наблюдения за Меркурием и занимался различными исследованиями. Учёные академической экспедиции побывали в Соликамске, Кунгуре, Новоусолье на Каме и других городах Урала и Сибири.
По итогам экспедиции были составлены карты внутренней Сибири, проведены исследования сибирских древностей, этнографии местных народов. Эти научные данные легли в основу ряда фундаментальных трудов учёных Академии наук. Кроме того, благодаря работе Миллера стало известно об экспедиции Семёна Дежнёва к берегам Аляски в 1648 году.
