В 1816 году было принято решение об отправке на Дальний Восток военного судна, с тем чтобы доставить грузы в Петропавловск и Охотск, проверить на месте деятельность Российско-американской компании, а также произвести опись районов Русской Америки, еще не нанесенных на карту с достаточной точностью.

Для путешествия был специально построен военный шлюп «Камчатка». Его длина составляла 130 футов, водоизмещение – около 900 т. Командиром шлюпа назначили капитана 2-го ранга В. М. Головнина, который в 1807–1809 годах уже совершил кругосветное плавание на шлюпе «Диана».

«Камчатка» вышла из Кронштадта 26 августа (7 сентября) 1817 года и 10 (22) сентября зашла в Портсмут для пополнения запасов и закупки дополнительного навигационного оборудования. 5 (17) ноября шлюп прибыл в Рио-де-Жанейро, откуда 22 ноября (4 декабря) направился к мысу Горн. Обогнув южную оконечность Америки и посетив Кальяо, В. М. Головнин 3 (15) мая вошел в гавань Петропавловска.

Согласно полученной перед выходом из Кронштадта инструкции, командир шлюпа должен был произвести съемку берегов северо-западной Америки между 60 и 65° с. ш., но только в том случае, если это не будет уже сделано лейтенантом О. Е. Коцебу на бриге «Рюрик». В Петропавловске В. М. Головнин узнал, что О. Е. Коцебу уже завершил приготовления для этой съемки. По этой причине он решил только уточнить географические координаты некоторых Алеутских островов.

Несмотря на не благоприятствующую эти работам погоду, В. М. Головнину удалось астрономически определить местоположение островов: Беринга, Медного, Атту, Тахкиняк (из Шумагинской группы), южного из Евдокеевской группы, Укамок (остров Чирикова) и Ситкинак (близ острова Кадьяк). 9 (21) июля «Камчатка» подошла к острову Кадьяк, где В. М. Головнин приступил к ревизии Российско-американской компании. Офицеры «Камчатки» в это время проводили контрольную съемку побережья Чиниатского залива и выявили ряд ошибок, допущенных при составлении карты залива Ю. Ф. Лисянским и Д. Калининым в 1804 году во время первого русского кругосветного путешествия.

28 июля (9 августа) В. М. Головнин стал на якорь в Ново-Архангельске, где сдал грузы Российско-американской компании. 12 (24) августа шлюп «Камчатка» вошел в порт Монтерей (Верхняя Калифорния), где состоялась встреча В. М. Головнина с правителем Русской Америки Л. А. Гагемейстером. После этого шлюп перешел в залив Румянцева, откуда 27 сентября (9 октября) 1818 года «Камчатка» отправилась в обратный путь. С 20 по 30 октября (1–11 ноября) В. М. Головнин посетил несколько Гавайских островов, где приобретал провиант. Затем «Камчатка» зашла на остров Гуам (Марианские острова) и в Манилу. Обогнув мыс Доброй Надежды и посетив острова Святой Елены, Вознесения и Файал, 20 июля (11 августа) шлюп пришел в Портсмут и 5 (17) сентября 1819 года возвратился в Кронштадт. Самый длительный переход под парусами (от острова Святой Елены до острова Файал) продолжался 79 суток, а весь переход от Кронштадта до Петропавловска был совершен под парусами за 217 суток.

В этом кругосветном плавании первый серьезный опыт приобрели выдающиеся русские мореплаватели Ф. Врангель, Ф. Литке и Ф. Матюшкин. О том, что видели путешественники, можно судить по серии из 43 рисунков, выполненных художником М. Тихановым. А В. М. Головнин в 1818 году, еще до завершения путешествия, был заочно избран членом Петербургской академии наук. Свое второе кругосветное плавание он описал в двухтомном сочинении, изданном в 1822 году, под названием «Путешествие вокруг света, совершенное на военном шлюпе "Камчатке" в 1817, 1818 и 1819 годах».