En 1854, il fait partie de l’expédition de la mer Noire comme peintre officiel, et publie à son retour, avec Jean-Baptiste Henri Durand-Brager, des vues du littoral de cette mer. Antoine Léon Morel-Fatio est attaché à l'expédition de Bomarsund en 1854. Il visite notamment Larsö, Amsterdam, Kiel et Stockholm.