В 1840 г. Миддендорф участвовал в Лапландской экспедиции академика Бэра, причем он оказался не только хорошим врачом, что было его специальностью, но и прекрасным охотником, неутомимым, бывалым моряком и умелым плотником. По рекомендации Бэра в 1842 г. Петербургская Академия наук поручила ему возглавить экспедицию в Северную и Восточную Сибирь. Перед ней были поставлены две задачи: изучение органической жизни Таймырского полуострова и исследование вечной мерзлоты. В состав экспедиции вошел 22-летний унтер-офицер, военный топограф В. В. Ваганов, ставший его ближайшим помощником в научных исследованиях.
В начале 1843 г. экспедиция, проехав от Красноярска, прибыла в Туруханск и здесь задержалась до окончательного снаряжения. Миддендорф, изучая тем временем скважины, установил лишь сезонную мерзлоту. От Туруханска в апреле он прошел на собаках по льду Енисея до устья реки Дудинки; отсюда, двигаясь на северо-восток, достиг низовьев реки Боганиды (система Хатанги).
Здесь, на Боганиде, в мае 1943 г. к нему присоединился Ваганов. Пройдя «по Большой низовой тундре» к северу, они в июле достигли реки Верхней Таймыры, т. е. пересекли с юга на север Северо-Сибирскую низменность и положили начало ее исследованию. Миддендорф открыл на ней цепь высот, вытянутых в северо-восточном направлении и ограничивающихся с юга «речной областью Таймыра»; он назвал их хребты «Шайтан» (на нынешних картах – Камень-Хэрбэй).
В начале 1844 г. Миддендорф вместе с Вагановым проехал из Красноярска в Иркутск, перешел на Лену и по ней в начале марта 1844 г. спустился до Якутска, где изучал вечную мерзлоту. Тем самым были заложены основы мерзлотоведения. Выполнив работы в Якутии, Миддендорф на свой риск решил продлить срок экспедиции, чтобы заняться исследованием тогда почти неизученного Амурского края. Вместе с Вагановым проехал вьючным путем до села Амги (на реке Амга, притоке Алдана), где в конце апреля снарядил большой отряд. Отсюда экспедиция проследовала к водораздельным высотам – восточным отрогам Станового хребта – и, перевалив их в середине июня, вышла к верховьям Уды.
Далее путешественники спустились на построенной ими байдаре к Удской губе Охотского моря, причем Ваганов выполнил съемку всей реки. Путь от Алдана до Уды был первым маршрутом через юго-восточную часть Верхоянско-Колымского края, ранее совершенно неизвестную. Отсюда на байдаре двинулись на восток вдоль берега моря.
В конце января 1845 г. экспедиция прошла к Амуру. Результатом этого путешествия явилось описание юго-западного берега Охотского моря и Шантарских островов. Миддендорф предложил выделить Яблоновый хребет, доставил первые гидрографические сведения о южных склонах Станового хребта и был первым его исследователем. Он положил начало открытию и исследованию хребтов Буреинского и Джагды, дал первые точные геологические материалы о Приморье и бассейне Амура, правильно охарактеризовав этот бассейн как горную страну. Он первый определил южную границу распространения вечной мерзлоты в Восточной Сибири. В опубликованном в 1860 – 1877 гг. труде «Путешествие на север и восток Сибири» впервые разработал классификацию тундр, привел доказательства зонального распределения растительности на этой территории и разработал общую характеристику ее климата. По мнению современных этнографов, новыми для науки были данные о таймырских эвенках, нганасанах, долганах и северных якутах.
Годы жизни 1815 – 1894