Обширные пространства Мирового океана к 70-м годам XIX века оставались не исследованными. Изучались главным образом моря, омывающие Англию, и северная часть Атлантического океана, прилегающая к США и дающая начало потоку теплых вод Гольфстрима — этой мощной теплой «реке в океане». Для того, чтобы исследовать малоизвестные области Мирового океана, выяснить более основательно строение рельефа дна, физические, химические и биологические свойства и особенности отдельных океанов на поверхности и на глубинах, английские ученые решили оргавязовать большую кругосветную океанографическую экспедицию.

По предложению Королевского общества Английской академии наук Британское Адмиралтейство снарядило экспедицию.
«Челленджер» - парусно-паровой военный корабль (корвет) водоизмещением 2300 т - был снабжен паровым двигателем мощностью 1200 л. с. и отлично оборудован наилучшими приборами для океанографических исследований; на нем была паровая лебедка мощностью 18 л. с. Во главе этой экспедиции стоял мореплаватель Джордж С.Нэрс, участник ряда плаваний в арктические моря; научными работами ведали натуралисты Уайвилл Томсон и Джон Меррей. В обработке коллекций «Челленджера» принимали участие выдающийся немецкий зоолог Эрнст Геккель и геолог А. Ренар.

21 декабря 1872 года в 10 часов утра «Челленджер» вышел из порта Спитхед. Но начало не задалось. Сразу после выхода в море «Челленджер» попал в сильный шторм, что значительно ухудшило настроение суеверных моряков. Но Томсон сказал, что это не является плохой приметой, шторм – это лишь проверка, которая только укрепила уверенность в том, что корабль и команда полностью готовы к такому плаванию.
На первых порах члены экспедиции тренировались и готовились к предстоящим работам. Они учились правильно измерять глубину. В ходе таких тренировок выяснилось, что эффективнее использовать пеньковый трос, потому что проволока ломалась или скручивалась. Чтобы измерить глубину на практике, использовали веревку с грузом и узлами. Ее сбрасывали в воду через каждую морскую сажень. Глубина измерялась по количеству узлов. Но в океане все не так просто. Это был тяжелый труд, так как приходилось измерять километровые глубины – разматывать и забрасывать веревку, а потом вытаскивать и складывать аккуратной бухтой.

«Челленджер» проследовал к Гибралтару, затем к о-вам Мадейра и Тенериф, а отсаюда — по Атлантическому океану - к Малым Антильским о-вам. На этом пути корабль часто делал остановки (станции) для детального изучения глубин и всех свойств океанической воды.
С глубины более 5700 м впервые был взят грунт шоколадного цвета. Исследования показали, что это очень своеобразные глубоководные отложения, лишенные органических остатков и содержащие повышенное количество железа. Эти отложения были названы "морской красной глиной". Впоследствии оказалось, что она лежит на больших глубинах всего океанического ложа.
Происхождение ее и до сих пор окончательно не установлено: некоторые ученые полагают, что она образовалась в пучинах океана без доступа света и кислорода; другие считают, что это осевшая на ложе океана космическая пыль из мирового пространства.

После того, как «Челленджер» пересек океан в обратном направлении, он пошел от Мадейра на юг вдоль Африки и на широте 3° южнее экватора вторично пересек океан в направлении к берегам Бразилии.
На этом пути на глубине более 4500 м была обнаружена чрезвычайно низкая температура воды —всего 0°,2, т. е. близкая к точке замерзания воды.
После пребывания у берегов Бразилии исследователи прошли к южной оконечности Африки (Кейптауну) и вышли в Индийский океан. Затем «Челленджер» побывал у Южного полярного круга, приблизившись к антарктическим льдам. На этом пути он неоднократно попадал в штормы на «ревущих сороковых» параллелях, преодолевал сильные течения и противостоял жестоким ветрам. На его пути затем был материк Австралия и своеобразная по природе Новая Зеландия.
Далее - картины моря суровой Антарктики.

Они сменились яркими красками коралловых рифов субтропических вод Тихого океана. Побывав у берегов Китая (Гонконг), корвет пошел к Японии; у берегов последней исследователи измерили глубину океана — 8387 м,— наибольшую за все время плавания (в 1957 г. океанографы «Витязя» обнаружат здесь глубины свыше 11 000 м).
Впереди лежал безбрежный Тихий океан. Как и прежде, часто делая остановки, «Челленджер» дошел до Гавайских о-вов, где ученые наблюдали последние стадии извержения вулкана Килауэа. Громадное лавовое озеро в его кратере глухо клокотало, а по пологим склонам кое-где струилась покрывающаяся твердой коркой лава.
От Гавайских о-вов судно пошло к о-вам Таити, отсюда к западному побережью Южной Америки у города Вальпараисо и Магеллановым проливом вышло в Атлантический океан.
Выйдя на середину океана, «Челленджер» направился по меридиану на север до Азорских о-вов, повторив станции на местах пересечения своих прежних маршрутов и этим проверив ранее полученные данные.

В Англию корабль возвратился в мае 1876 года, пробыв в плавании 3,5 года. За это время он прошел расстояние, более чем втрое превышающее окружность Земли. На 362 глубоководных станциях были измерены глубины, выяснен характер грунта, определен химический состав воды на поверхности и в глубине; исследована жизнь в толще воды и на дне, морские течения, условия погоды во время плавания и т. д.
Собранные материалы оказались столь велики, что их обрабатывали 70 ученых на протяжении 20 лет. Опубликованные труды составили 50 томов; из них в восьми описаны океаны и моря (глубины, рельеф дна и грунта, свойства воды), в двух — встреченные на пути корабля морские растения, в сорока томах —. морские животные организмы. Одних карт, чертежей и рисунков было составлено более 2000.
Обработка материалов велась после смерти У. Томсона под руководством Дж. Мёррея, который лично проводил исследование морских грунтов, выяснял их состав на разных глубинах и их происхождение.

Оказалось, что на глубинах до 2000 л вблизи материков залегают преимущественно осадки, снесенные с суши и занимающие около 25% площади океанического дна.
Вдали от берегов на глубинах до 4000 м грунты состоят из известковых скорлупок мельчайших морских организмов — глобигерин, живущих в верхних слоях сравнительно теплой воды. Падая на дно океанов непрерывным «дождем», они постепенно растворяются и обычно не достигают глубин более 4000 м. Эти отложения занимают около 30% площади океанического ложа.
Глубже остатков глобигерин оседают кремнистые скелетики диатомовых водорослей (до 6000 м), а еще глубже опускаются кремнистые скелетики мельчайших животных - радиолярий. Эти осадки занимают 9% площади дна океана. Самые глубокие площади океанического дна покрывает красная глина, занимающая 36% пространства.

Столь же интересные материалы были собраны экспедицией о свойствах морской воды, о жизни в ней. Среди водорослей и морских животных многие оказались неизвестными ранее, особенно среди обитателей больших глубин.
Экспедицией были установлены некоторые общие географические закономерности, неизвестные до плавания «Челленджера».
В Эдинбурге было воздвигнуто особое хранилище-музей (Челленджер-оффис) для материалов экспедиции.

После «Челленджера» изучением океанов занимались крупные экспедиции, например германская на корабле «Газель», американские на кораблях «Тускарора», «Блейк», «Альбатрос» и др. Из русских исследователей в конце XIX века неоценимый вклад в океанографию внес С.О. Макаров на корабле «Витязь».