Вернувшись в Россию в 1798 году, Лисянский был произведён в чин капитан-лейтенанта и получил в командование фрегат «Автроил». В ноябре 1802 года он был награждён орденом Святого Георгия 4-й степени. В конце того же года в связи с планами совершения кругосветного путешествия был командирован в Гамбург для закупки судов.

Однако с первых шагов их ждала неудача. В Гамбурге они с мастером Разумовым не нашли подходящих судов и были вынуждены выехать в Англию.

Там Лисянский приобрёл два шлюпа: 16-пушечный «Леандр» водоизмещением в 450 т, который позже был переименован в «Надежду», и 14-пушечный «Темза» водоизмещением 370 т, который стал называться «Нева», а также необходимые навигационные, астрономические и физические инструменты, лекарства и одежду.

Профессиональный выбор кораблей, инструментов и снаряжения для экипажей в немалой степени способствовал успешному решению задач экспедиции.

Финансирование экспедиции осуществлялось Российско-Американской компанией совместно с правительством: нужно было обеспечить перевозку мехов с Аляски, не прибегая к услугам зарубежных посредников. Кроме того, шлюпы должны были доставить в Японию посольство во главе с Николаем Резановым и сопровождать своим присутствием посольство графа Юрия Головкина в Китай к богдыхану Цзяцину.

Маршрут предстоявшего плавания, разработанный Крузенштерном и Лисянским, пролегал через Балтийское и Северное моря, Атлантический океан и, обогнув Южную Америку, следовал к Гавайским островам. Отсюда «Нева» должна была идти к острову Кадьяк, где находилась главная контора Российско-Американской компании, взять груз пушнины и доставить его в Кантон (Гуанчжоу).

За три года похода корабли Крузенштерна и Лисянского только 375 дней следовали вместе и 720 дней – самостоятельно. За время плавания Юрий Фёдорович вёл детальные наблюдения за ветрами и течениями, составил богатые минеральные, зоологические, этнографические и ботанические коллекции, выполнил описания десятков островов и многих сотен миль морских побережий. Лисянский открыл один из Гавайских островов, который по сей день назван его именем.

Крузенштерн считал, что необходимо относиться к команде мягко. Лисянский ввёл на «Неве» суровую дисциплину и активно применял телесные наказания. Очень неприглядно отзывались о нём и священник Гедеон (за нерадение в вере и даже запреты проводить богослужения), который был высажен с корабля в российских владениях, и мичман Берг, отправленный в отставку по возвращении.

Пока Крузенштерн на «Надежде» разбирался с Резановым на тему того, кто из них глава экспедиции, а матросы и офицеры этого шлюпа наслаждались с легкодоступными полинезийскими девушками и откупались от их братьев-людоедов кусками обручей от бочек, на Лисянского была возложена миссия посещения Камчатки и Аляски. И там, в Русской Америке, ему пришлось вступить в бой.

Лисянский получил просьбу главного правителя русских поселений в Америке А. А. Баранова о помощи в освобождении Ситки, взятой индейским племенем тлинкитов. Последовал кровопролитный штурм укрепления туземцев, и в конце концов они вынуждены были ретироваться. На острове Ситка была основана крепость Ново-Архангельск, а русское влияние полностью распространено на Архипелаг Александра.

А далее с трудностями – в путь, в Россию. Если научно-исследовательская часть экспедиции была выполнена успешно, то дипломатическая – провалена напрочь. Миссия Резанова не была принята японцами должным образом, моряки «Надежды» даже не смогли сойти на берег в Нагасаки. Посольство графа Головкина добиралось посуху через всю Сибирь и не доехало до Пекина.

«Нева» пришвартовалась в Кронштадте 17 августа 1806 года, а «Надежда» – 11 сентября. Так Лисянский и его команда остались в истории первыми русскими, прошедшими вокруг света, а сам капитан – первым малороссом, совершившим это.