Han fikk i 1820 ledelsen over en ekspedisjon som skulle kartlegge den østre del av Sibirs ishavskyst. Wrangel ankom november 1820 til Kolymaflodens munning, fortsatte derfra på hundesleder til Mys Zjelagskij, undersøkte noen øyer og seilte sommeren opp på Kolyma. I 1822 foretok han en sledeferd ut over ishavet for å lete etter et land som tsjuktsjerne påstod å ha sett der utenfor, og kom opp til nærheten av 72. breddegrad uten at ha støtt på noe land. Vinteren 1823 foretok han en ny sledeferd på havet til Koljutsjinskaja Guba, likeledes uten å finne noe land. Wrangel forlot i november 1823 sin base og kom hjem til St. Petersburg i august 1824.