Затем шлюп вышел к Каролинским островам и до конца марта 1828 года проводил гидрографические исследования в районе Каролинского и Марианского архипелагов.
Определив по пути положение многих островов Океании, Литке 29 октября при попутном ветре отправился из гостеприимного русского порта Петропавловска-Камчатского, чтобы, обогнув всю Евразию, закончить плавание на другом конце России.
Дальнейшее плавание шлюпа проходило в разных метеорологических условиях. Корабль то попадал в жестокие штормы, то подолгу оставался на одном месте в ожидании ветра, то быстро продвигался вперед, подгоняемый попутным ветром. После небольшой остановки на Филиппинах обогнул мыс Доброй Надежды и в середине апреля был у острова Святой Елены.
В течение всего плавания, наряду с другими исследованиями, Литке проводил сложные маятниковые наблюдения для определения истинной формы Земли. На острове Святой Елены он завершил эти свои исследования.
25 августа «Сенявин» бросил якорь на Кронштадтском рейде. Плавание продолжалось три года и пять дней. Географы считают его одной из самых плодотворных русских кругосветных экспедиций.
Литке составил точную карту значительной части побережья и островов Берингова моря, открыл в этом море большую группу островов, измерил высоту многих сопок Камчатки. В Тихом океане он открыл двенадцать неизвестных островов и описал двадцать шесть групп не обследованных до него островов, составил карты Каролинского и Марианского архипелагов. В результате всех этих работ был составлен мореходный атлас, содержащий более пятидесяти карт и планов.
Литке внес ценный вклад в океанографию, метеорологию и другие науки. Натуралисты экспедиции собрали ценные коллекции по зоологии, ботанике, минералогии и сделали до 1250 зарисовок. Литке привез богатую коллекцию одежды, орудий, утвари и украшений народностей Америки, Камчатки и тихоокеанских островов.
Научный успех экспедиции был так велик, что Литке был избран в члены-корреспонденты Академии наук. Высоко оценило плавание Литке и морское начальство: он был произведен «через чин» в капитаны 1-го ранга. В 1832 году Федор Петрович закончил описание своего плавания. Этот трехтомный труд был новым выдающимся достижением русского мореплавателя, блестяще продемонстрировавшим его обширные познания в самых разнообразных областях науки.
Книга Литке была переведена за границей. По свидетельству современника Литке академика В. П. Безобразова, «имя Литке сделалось известным всему образованному миру и поставлено в ряду замечательнейших путешественников и мореплавателей».
Слава не вскружила голову Федору Петровичу Литке. Он мечтал о новых дальних плаваниях, об изучении неведомых земель и народов. Но совершить далекий поход ему больше не удалось, поскольку в 1832 году царь Николай I оказал ему высокое доверие, назначив его воспитателем одного из своих сыновей.
Когда в 1850 году Литке освободился от обязанностей воспитателя великого князя, ему было уже 53 года. Мог ли он в эти годы думать о дальних плаваниях? К тому же воспитанник Литке, великий князь Константин Николаевич, произведенный в генерал-адмиралы и поставленный царем во главе всего военного флота, не отпускал своего наставника далеко от себя, так как постоянно нуждался в его советах и помощи.
В годы Крымской войны Литке назначили главным командиром и военным губернатором Кронштадтского порта. Вскоре на Балтике появился неприятельский англо-французский флот. Литке разработал план обороны Кронштадта и всего русского балтийского побережья, в котором предусмотрел использование изобретенного в России минного оружия. Этот план был блестяще претворен в жизнь, более сильный флот противника не смог подойти к русским берегам и с позором отступил.
27 марта 1855 года Литке был произведен в адмиралы и назначен членом Государственного совета. Однако с гораздо большим энтузиазмом занялся он своим любимым делом — наукой.
Еще в 1845 году, пользуясь своим положением во дворце, Литке добился осуществления давнишней мечты русских географов — организации Русского Географического общества. Президентом общества царь назначил своего восемнадцатилетнего сына. Вице-председателем, то есть фактическим руководителем этой научной организации, ученые избрали Литке.
В то время как за границей подобные общества занимались преимущественно географией зарубежных стран, устав Русского Географического общества, автором которого был Литке, требовал от своих членов изучения своего отечества.