1 августа Сарычев по приказанию Биллингса выехал из Охотска в Верхнеколымск. Здесь, на реке Ясашной (ныне Ясачная), под его руководством были построены два судна: «Паллас», командование которым принял на себя Биллингс, и «Ясашна», командиром которого был назначен произведенный в это время, в соответствии с указом императрицы, в капитан-лейтенанты Сарычев. Следует отметить, что на «Ясашне» только Сарычев и боцманмат были знакомы с морем. Все остальные никогда в море не бывали, и потому Сарычеву пришлось, прежде всего, взяться за обучение своей команды морскому делу.
24 июня 1787 года «Паллас» и «Ясашна» вышли из Колымы в море.
Пройти на восток из-за льдов не удалось, и 26 июля, то есть в самый разгар полярного лета, суда вернулись в Колыму.
Неумелые и нерешительные действия Биллингса во время этого плавания впоследствии были подвергнуты жестокой критике.
Биллингс сразу же после возвращения из плавания уехал в Якутск, взяв с собой врача, секретаря и часть команды. Устройство и отправка остальной команды и все остальные дела были поручены Сарычеву во время экспедиции во все трудные операции. Сарычев посылался первым и возвращался последним.
В январе 1788 года Сарычев выехал из Якутска в Усть-Майскую пристань, где наладил постройку лодок для перевозки пушек, якорей, камбузных котлов и других тяжелых грузов. 14 июля он во главе отряда из 120 человек на семнадцати лодках направился от Усть-Майской пристани по рекам Мая и Юдоме до Юдомского Креста; здесь кончился водный путь, и лодки были разгружены. Сам Сарычев, подготовив все для перевозки грузов сухим путем, поехал с командой в Охотск, куда и прибыл в сентябре. Оставленные у Юдомского Креста грузы были перевезены на собаках по зимнему пути.
На судне «Слава России» Сарычев посетил острова Прибылова и Святого Лаврентия. После плавания в Беринговом проливе «Слава России» 4 августа зашла в губу Святого Лаврентия. В феврале 1792 года Сарычев занялся картографированием острова Уналашка. За сорок дней на трехместной байдарке в сопровождении двух алеутов Сарычев обошел вокруг острова, посетил ряд поселений алеутов и собрал ценнейшие сведения о природе острова и о быте его жителей. Названия многих мысов и бухт, появившихся на карте Сарычева (в частности, Капитанская гавань, названная так в честь предшественников Сарычева капитанов Креницына и Левашева), сохранились и до сих пор.
В апреле 1794 года Сарычев вернулся в Петербург.
До 1801 года он служил в Кронштадте. В 1799 и 1800 годы, командуя кораблем «Москва», он совершил переход из Архангельска к берегам Англии и затем в Кронштадт. В 1801 году он был произведен в капитан-командоры.
Одновременно со многими служебными обязанностями Сарычев усердно работал над большой книгой «Путешествие флота капитана Сарычева по северо-восточной части Сибири, Ледовитому морю и Восточному океану в продолжение восьми лет при географической и астрономической экспедиции, бывшей под началом флота капитана Биллингса с 1785 по 1793 г.». Книга эта была издана в 1802 году и вскоре переведена и издана в Германии, Франции, Голландии. Канадский ученый Бэнкрофт, автор изданной в 1886 году обширной монографии по истории Аляски, подчеркивал выдающееся значение этого труда Сарычева. Не потеряла своего значения эта книга и в настоящее время.
С 1802 года в течение шести лет Сарычев занимался исправлением морских карт Балтийского моря и Финского залива.
В 1803 году Сарычев был произведен в контр-адмиралы, командовал эскадрой из трех фрегатов в Балтийском море, на них обучались гардемарины и исправлялись морские карты. В том же году он был определен в члены Адмиралтейств-коллегий.
В 1805 году во время войны России, Англии, Австрии и Швеции с наполеоновской Францией Сарычеву было поручено конвоировать двадцать шесть торговых судов, доставлявших в Померанию десантные войска с острова Рюген. На переходе во время шторма бриг «Диспач», на котором находился Сарычев, разбился. Сильно пострадавший адмирал покинул корабль последним.
В 1827 году Сарычев был назначен главным командиром и военным губернатором Кронштадта, а после преобразования учреждений Морского ведомства — генерал-гидрографом Главного Морского Штаба. Последние десять лет своей жизни Сарычев писал историю всех русских портов.
Сарычев снискал глубокое уважение современников. Исключительной чертой его были добросовестность и точность наблюдений. Сам Сарычев в «Предуведомлении» к книге о своих путешествиях в 1785–1893 годы писал.