Впоследствии комплексные экспедиции сменились специализированными, изменился подход к организации исследований. Каждая экспедиция имела четкую программу, будь то программа физическая, геологическая, химическая или биологическая, и усилия исследователей были направлены на решение одной сложной задачи.

Первые плавания «Витязь» совершил в наших дальневосточных морях — Японском, Охотском и Беринговом, бывших в начале 50-х годов «белым пятном». Из Курильских проливов он выходил в Тихий океан. В результате этих первых экспедиций вместо впадины Тускарора на карте появился грандиозный Курило-Камчатский желоб с глубинами свыше 10 тыс. м. В этом желобе на глубине свыше 8 км была поймана рыба, что тоже было сенсацией. В 1954 г. «Витязь» приступил к планомерному исследованию Тихого океана. У Марианских островов в Марианской впадине была открыта самая большая глубина Мирового океана — 11022 м. Итоги многолетних исследований в Тихом океане обобщены в многотомной монографии «Тихий океан», за которую большой группе сотрудников Института океанологии в 1980 г. присуждена Государственная премия СССР.

«Витязь» всегда принимал активное участие в международных исследованиях океана. В 1957 г. экспедиции на этом судне внесли важный вклад в изучение Тихого океана по программе Международного геофизического года. Шесть лет, начиная с 1959 г., «Витязь» работал в Индийском океане по программе Международной Индоокеанской экспедиции. В последние годы корабль участвовал в советско-американском эксперименте по изучению океанских вихрей в так называемом Бермудском треугольнике (экспедиция «Полимоде»).

Уже с первых экспедиций «Витязя» в дальневосточные моря уделялось внимание изучению рельефа морского дна с помощью эхолотов-самописцев. И в Японском, и в Охотском, и в западной части Берингова моря обнаружены котловины и разделяющие их возвышенности или подводные хребты.