Бошняк производил съёмку, записывал свои наблюдения, собирая данные о населении Сахалина и их образе жизни. Он обнаружил следы пребывания в этих местах русских. В селении Чхар нивхи подарили ему лист из часослова, на котором было написано: «Мы, Иван, Данила, Пётр, Сергей и Василий, высажены в айнийском селении Тамари-Анива Хвостовым 17 августа 1805 года; перешли на реку Тымь в 1810 году в то время, когда на Тамари пришли японцы». Сохранились развалины жилища этих русских, прибывших с экспедицией Крузенштерна и Лисянского. Нивхи ничего плохого о русских не могли сказать, жили с ними дружно, двое были даже женаты на нивхских женщинах.
У Бошняка закончились сухари, сахар и чай, он питался лишь солёной рыбой-юколой и мороженой брусникой. Но всё же дошёл до залива, в который впадает Тымь, и составил подробное описание реки. Залив, отделённый от моря узкой песчаной косой, он подробно описал в своём дневнике.
Только завершив эту работу, Бошняк решил возвращаться. Измученному и истощённому, ему предстояло пройти около четырёхсот километров, в мешке за плечами были образцы горных пород. Это был поистине героический поход, когда Бошняк перешёл перевал, то сам о себе записал: «...весь ободранный, голодный, бывши не в состоянии ходить от образовавшихся на ноге нарывов». К счастью, на полпути он встретился с дожидавшимся его Позвейном с собачьей упряжкой. Правда, корма для собак было мало, нарты тащить было тяжело, и людям приходилось впрягаться вместе с животными. 3 апреля, после полуторамесячного путешествия по Сахалину, Бошняк был уже в Николаевском.
Это было первое самостоятельное путешествие молодого лейтенанта (ему шёл лишь 22-й год), и оно принесло большие открытия на Сахалине. В тысячевёрстном пути ноги Бошняка так пострадали, что он дней десять мог передвигаться только на костылях, а ещё и жить приходилось в землянке, но настроение было радостное.
В соответствии с приказом Невельского по экспедиции, до начала лета Бошняк совершил второе путешествие — по Амуру. В середине апреля ещё лежал снег, последняя зимняя пурга обрушилась на лейтенанта и его спутника казака Парфентьева, как только они отошли немного от Николаевска. А наутро началась весна. Быстрое таяние снега создало новые трудности: лёд на Амуре утончался, возникали полыньи, частенько проваливались в воду и нарты, и собаки, и сами путешественники. После купания в ледяной воде спасаться можно было только в юртах нивхов.
Пока Амур не освободился ото льда, Бошняк занялся этнографическими изысканиями, собрав большой материал, касающийся образа жизни нивхов и нелегально приезжающих к ним для торговли маньчжур. Приходилось выступать ему и в роли врача, приходя на помощь больным нивхам, которые были уверены, что «лучо» — русские — умеют лечить от всех болезней.
Потом, когда Бошняк описал озеро Кизи и вернулся в Николаевский пост, Невельской решил перенести сюда штаб экспедиции из Петровского. Летом Бошняк, по его указанию, занимался строительством главного поста на Амуре. Однажды все первопоселенцы стали свидетелями падения метеорита: прямо в Амур с шипением и треском упал огромный огненный шар. Сначала он летел с большой скоростью по небу, приблизился к земле, вызвав панический страх в равной степени у нивхов и русских, которые восприняли явление как конец света. Нивхи объясняли падение метеорита по-своему: это разгневанная душа их убитого накануне сородича. Научное же объяснение Бошняка было трудно понять первым поселенцам Николаевского поста.
Вскоре от Невельского пришло новое распоряжение: подготовить основание постов на озере Кизи и в заливе Де-Кастри. Тем временем Николаевский пост оказался в тяжёлом состоянии из-за недостаточного завоза продуктов. Появились случаи заболевания цингой: первой умерла дочь Геннадия Ивановича Невельского.
Лейтенант Бошняк вернулся на пост. Под его руководством было закончено строительство казармы для солдат, а затем и офицерского дома. Люди перебрались из землянок в дома, хотя те ещё не совсем были готовы к зиме.
Зима — лучшее время для экспедиций: замерзшие реки превращаются в удобные дороги. Бошняк с двумя спутниками проехал на собаках по широкой ледяной дороге Амура, повернул на его правый приток Амгунь, а потом и на узкую дорожку её притока, небольшой речки Ами. Эта система рек-дорог привела в предгорья хребта Хинган, ещё не знакомого европейцам. Бошняк установил, что хребет направлен на юго-запад: на карте он был изображён неправильно.
Три человека продвигались к истокам реки Горин. Среди ненаселённой местности, с собаками, выбивающимися из сил, страдая от чудовищных морозов (ночью температура доходила до -40°)... Никакого укрытия от мороза, кроме нарт, спали по очереди, толкая друг друга, чтобы не замёрзнуть. Дошли до реки Горин, обследовали её и пошли на север, к озеру Эворон, а от него к Чукчагирскому озеру и к реке Амгунь. По ней вернулись к Николаевскому посту за неделю до наступления 1853 года, проведя в путешествии почти полтора месяца.
Следующая задача, поставленная Невельским перед Бошняком, была основать пост на заливе Де-Кастри, а потом на нивхских лодках отправиться на юг, чтобы найти залив Хаджи, о котором ничего не было известно ни Лаперузу, ни Крузенштерну.
Экспедиция отправилась на трёх нартах, и три спутника были у лейтенанта Бошняка в этом далёком походе: Семён Парфентьев, Иван Мосеев, Кир Белохвостов. Невельской помог им собраться в Николаевском и проводил в путь 15 февраля.
По дороге заехали в нивхское селение за юколой для собак, при этом удалось наблюдать действо шамана, который свои крики и кривляния завершил поеданием горячих углей. 5 марта моряки были на Де-Кастри, в том месте, где летом прошлого года Бошняк наметил место для поста. Теперь там подняли высокую мачту, над которой взвился Андреевский флаг, это означало, что земля Де-Кастри — владение России. Тунгусы и нивхи из близлежащих селений были свидетелями церемонии. Первым жилищем нового поста, который назвали Александровским, стал шалаш нивхских рыбаков. Казаки начали строить дом. Бошняк же купил лодку у нивхов, выбрав самую большую и прочную. За месяц дом был построен: соорудили печь из глины, окна вместо стёкол затянули тонкой тканью — миткалём.
Как только залив освободился ото льда, Бошняк с казаками отправился к югу, в Татарский пролив. Они медленно поплыли вдоль берега, огибая все его неровности. На два дня остановились в устье реки Дуэ, в нивхском селении, укрывшемся за двумя островками, целиком заполненными птичьими гнёздами. Проведя астрономические измерения координат и познакомившись с жителями селения, поплыли дальше. Следующие астрономические наблюдения были сделаны в селении Датта, расположившемся на обоих берегах впадающей в залив реки Тумкин. Река эта со многими притоками могла быть использована для выхода в Амур. На привале в небольшой бухте Джунко моряки узнали от местных рыбаков, что до залива Хаджи осталось всего два дневных байдарочных перехода.
И вот настал день 23 мая 1853 года. Лейтенант Николай Бошняк со спутниками подошёл к еле заметному низкому перешейку, за которым открывалось обширное водное пространство. Это и был залив Хаджи. Где-то должен быть вход в залив, но открытие было настолько важным, что ждать никто не захотел: лодку дружно перетащили через перешеек. Удивительно было после довольно бурного моря оказаться в обстановке полного штиля. Поверхность воды в заливе, закрытом от ветров, была абсолютно спокойна. Путешественники сразу же приступили к описанию залива, задерживаться долго было нельзя, потому что почти не осталось продуктов.
Залив состоял из нескольких бухт. Бошняк все их описал и дал названия. Сам залив Хаджи получил имя императрицы Александры. Самая удивительная бухта — длинная, зигзагообразная, похожая на канал, закрытая от ветров скалистыми берегами — Константиновская — была выбрана для основания поста. Место обозначили высоким крестом, на котором Бошняк вырезал: «Гавань императора Николая, открыта и глазомерно описана лейтенантом Бошняком 23 мая 1853 года на туземной лодке со спутниками казаками Семёном Парфентьевым, Киром Белохвостовым, амгинским крестьянином Иваном Мосеевым».
31 мая лодка под парусом, наполненным попутным южным ветром, вышла из залива. Путешественники возвращались, питаясь одной лишь рыбой и ягодами, собранными на берегу. Через 6 дней они уже были на берегу залива Де-Кастри. Здесь Бошняк привёл в порядок свои записи и карты. Доклад Невельскому он отправил с казаком Парфентьевым. Через неделю по приказу Невельского приехал на смену мичман Разградский. Бошняк отправился в Николаевский пост, где узнал много нового. Главное — изменилось отношение правительственных кругов к дальневосточным «самоуправным делам» Невельского. После того как в марте 1853 года англо-французская эскадра вошла в Чёрное море, в Петербурге поняли, что Амурская экспедиция имеет огромное государственное значение. (Это особенно стало ясно во время Крымской войны, которая, несмотря на своё название, была и дальневосточной войной: наряду с Севастополем, англо-французской эскадрой был осаждён Петропавловск-Камчатский. Укрывшийся в Императорской гавани, о которой ничего не знали интервенты, спасся от уничтожения дальневосточный флот России).
Невельскому из Петербурга передали указание: особое внимание обратить на Сахалин и прочно обосноваться там. Командующим Сахалинской экспедицией был назначен майор Н.В. Буссе, выпускник Пажеского корпуса, как потом выяснилось, совершенно случайный человек в Амурской экспедиции, принёсший ей немало бед.
Снова Невельской стоит на капитанском мостике «Байкала»: вместе с Дмитрием Орловым и командой из 15 человек он отправляется в рекогносцировочный поход вокруг Сахалина. Отыскивая удобные бухты на побережье острова, он посетил Императорскую гавань. Удобных бухт на Сахалине не оказалось, а в Императорской гавани Невельской открыл Константиновский пост и оставил охранять его восемь казаков во главе с унтер-офицером Дмитрием Хороших.
В августе прибывший в Николаевский пост Невельской с большой радостью встретился с Бошняком, поведал своему ближайшему помощнику о дальнейших планах, о том, что начальником Константиновского поста в Императорской гавани предстоит быть именно ему. Николаевский пост за два года строительства уже стал походить на город (во всяком случае, в нём появилась первая улица). Продолжать превращение поста в город Николаевск (так уже его стали звать) будет мичман Г. Разградский. Вскоре Бошняк прибыл в Петровский пост, но Невельского там не застал: тому пришлось ехать в Аян за продовольствием и снаряжением для Сахалинской экспедиции, хотя это должен был делать Буссе.