1819 wurde Bellingshausen mit der Leitung der vom russischen Zaren Alexander I. initiierten ersten russischen Expedition in die Südpolarregion beauftragt. Als Kapitän der Korvette Wostok brach er zusammen mit dem Versorgungsschiff Mirny (Kapitän: Michail Lasarew) in Kronstadt auf. Auf der Hinreise wurden die polynesischen Tuamotuinseln und die Macquarieinsel kartografiert. In den 751 Tagen der Reise entdeckte die Expedition 29 neue Inseln im Pazifik und Atlantik. Den Ruf, Entdecker der Antarktis zu sein, erlangte Bellingshausen, weil er am 28. Januar 1820 erstmals den Rand eines "Eis-Kontinents"sichtete. Bellingshausen hatte das Schelfeis beschrieben, das als Teil des antarktischen Kontinents betrachtet werden kann. Im Verlauf der Expedition wurde sechsmal der südliche Polarkreis überquert und die Antarktis umsegelt. Es war nach den Forschungsreisen von James Cook die zweite Expedition überhaupt, die so weit nach Süden vorstieß. Im August 1820 wurde der 70. Breitengrad erreicht und dabei das antarktische Festland auf einem südlicheren Kurs umsegelt als von Cooks Expedition.

1821 entdeckte die Expedition die der Antarktischen Halbinsel vorgelagerte Alexander-I.-Insel und die Peter-I.-Insel. Die Alexanderinsel hielt Bellingshausen für einen Teil des antarktischen Festlands. Dieser Irrtum wurde erst im Jahr 1940 bemerkt und korrigiert.

Im August 1821 kehrten die Schiffe der Expedition über den Atlantik nach Kronstadt zurück.