10 июля Невельской на трех шлюпках сам отправился в плавание, создавшее ему славу и признательность поколений. 11 июля он обогнул мыс Тебах и вступил в Амур. Дойдя до мыса Куегда на левом берегу Амура, он повернул к правому берегу и, следуя под ним вниз по течению снова вышел в лиман. Придерживаясь материкового берега, Невельской 22 июля (3 августа) достиг наконец самого узкого места в Татарском проливе.

Здесь, между мысами Лазарева и Муравьева на материке и низменным мысом Погоби на Сахалине, вместо установленного Лаперузом-Браутоном, Крузенштерном и Гавриловым перешейка, Невельской открыл названный впоследствии его именем пролив шириной в 7 км и с глубинами от 6 до 14 м. Двигаясь этим проливом дальше на юг, Невельской 24 июля достиг тех мест, до которых с юга доходили Лаперуз и Браутон. Сомнений больше не было: Сахалин оказался островом.

Невельской подтвердил поколебленную было силой авторитетов трёх знаменитых путешественников истину, установленную задолго до них первыми русскими исследователями и картографами, которые в основном правильно описали и нанесли на карту берега этой части Тихого океана. Легенда, созданная Лаперузом, бесславно окончила свои дни. Невельской повернул на север и 1 августа прибыл на «Байкал». Практические результаты достигнутого были огромны. Им были доказаны:

1. Существование морского пролива между Сахалином и материком и

2. Существование фарватеров вдоль материкового и Сахалинского берегов, доступных для судов с осадкой в 15 футов (4,5 м), а из Охотского моря — до 12 футов (3,6 м).

Главная цель была достигнута — проходимость лимана была доказана; кроме того, попутно было установлено, что, кроме небольших гиляцких деревушек, в устье Амура нет ни китайских военных сил, ни крепостей, ни флота.