Деятельность Головнина не ограничивалась исследованием полуострова Камчатка. Он внимательно изучил материалы, собранные его предшественниками по изучению северной части Тихого океана. В Петропавловске ему посчастливилось достать карты Берингова и Охотского морей, Алеутских и Курильских островов, генеральную карту Российской империи, журналы Алексея Чирикова, Витуса Беринга, Степана Крашенинникова, Григория Шелихова, Лаперуза, Кука и других ученых и мореплавателей. Кроме того, ему удалось достать карты Крузенштерна и Лисянского, присланные ими в Петропавловск-Камчатский.
Весной 1810 года Головнин отправился в плавание к американским берегам для доставки продовольствия жителям поселений Российско-американской компании.
На следующий год Головнину было поручено произвести опись Алеутских и Курильских островов, Татарского берега (Приморья) до реки Уды, мыса Хабарова и Шантарских островов и астрономически определить их положение. Выполняя это задание, Головнин в течение нескольких месяцев исследовал ряд островов Курильской гряды.
«Цепь или гряду островов, лежащих между южным мысом Камчатки и Японией, Курильскими островами, наименовали русские, — писал Головнин, — ибо, увидев с Камчатского берега дымящиеся на сих островах сопки, они назвали их Курилы, от слова курящиеся, а от того и самые острова получили свое название; природные же жители оных на своем языке не знают никакого имени для названия всей гряды вообще, но имеют только собственные имена каждому острову в особенности».
Исследование Курильских островов было сопряжено с большими трудностями. Постоянные туманы, обрывистые и скалистые берега, отсутствие удобной, укрытой от ветров якорной стоянки часто лишали моряков возможности проникнуть в глубь того или иного острова. Однако Головнин и его спутники, успешно совершившие тяжелый переход от Кронштадта до Камчатки, ради выполнения порученного им дела были готовы на любые лишения.
Результаты исследований В. М. Головнина были весьма значительны. Он составил точную карту Курильских островов, уточнив сведения о них, собранные другими русскими мореплавателями и учеными.
Постоянные ветры и густые туманы не позволили «Диане» подойти к берегу. Более двух недель шлюп лавировал у островов Итуруп, Кунашир и Шикотан. Наконец, вечером 4 июля 1811 года «Диана» подошла к длинной косе, составляющей восточную сторону гавани острова Кунашир, и стала на якорь.
Через несколько дней, когда шлюп подошел к берегу, Головнин с семью матросами отправился на остров. Японцы встретили его с притворным радушием, пригласили в крепость, а когда ничего не подозревавшие Головнин и его спутники вошли в нее, японцы неожиданно напали на невооруженных русских моряков и захватили их в плен. Больше всего Головнина возмущало коварство и вероломство японцев.
«От чистого сердца и от желания им добра поехал я к ним в крепость, как друг их, а теперь что они с нами делают. Я менее мучился бы, — писал он позже в своих „Записках“, — если б был причиной только моего собственного несчастья; но еще семь человек подчиненных также от меня страдают».
Вскоре русских моряков перевели с острова Кунашир в город Хакодатэ на острове Хоккайдо и заключили в тюрьму. Головнина посадили в отдельную темную и сырую камеру.
Но и в этих условиях Головнин не прекращал своих научных занятий. Все, что он наблюдал во время прогулок и узнавал из разговоров с охранниками, Головнин заносил в свой оригинальный «журнал» из ниток, облегчавший ему запоминание. Каждому примечательному событию, о котором Головнину удалось узнать, в этом «журнале» соответствовала нитка определенного цвета. (Нитки выдергивались из манжет, подкладки из мундира или шарфа). Эти нитки искусно сплетались в узелок. Только благодаря этому «дневнику» Головнин впоследствии написал свое замечательное произведение «Записки флота капитана Головнина о приключениях его в плену у японцев в 1811, 1812 и 1813 годах», опубликованное в 1818 году и впоследствии переведенное почти на все европейские языки. В книге содержатся исключительной ценности сведения о нравах и обычаях японцев, об их культуре. Это был первый обстоятельный труд о Японии. По ясности и красочности изложения «Записки» принадлежат к числу лучших произведений русской литературы.
Головнин и его спутники решили бежать. С большим трудом морякам удалось раздобыть старое, покрытое ржавчиной долото, с помощью которого под крепостью был сделан подкоп, 24 апреля пленники вырвались на волю, но вскоре были пойманы.