I 1933-1934 var han kaptein på en annen polarekspedisjon på isbryteren «Tsjeljuskin». Skipet havnet i pakkisen nær Koljutsjinøya i Tsjuktsjerhavet og mannskapet brukte nesten en uke på å komme seg løs. Skipet satte seg fast i pakkisen igjen og drev mot Beringstredet. Mot slutten av november ble det klart at skipet ikke kom til å komme seg løs igjen og de innså at de måtte overvintre. Etter hvert ble skipet skviset mellom store isfjell og sto i fare for å synke. Voronin ga ordre om å laste av alt utstyr og sette opp en leir bak skipet. Store sprekker oppsto derimot i isen under teltene og mannskapet måtte laste utstyret tilbake på skipet. «Tsjljuskin» drev i to måneder i Tsjuktsjerhavet øst for Vrangeløya. Til slutt ble skipet knust av isen. Voronin og Otto Schmidt klarte akkurat å hoppe av i tide før det sank nær Koljutsjin. Et medlem av mannskapet mistet livet. Mannskapet fikk radiokontakt med landsbyen Uelen på Tsjukotkahalvøya og mannskapet ble etter hvert reddet. Redningsoperasjon tok over en måned med fly på grunn av dårlig vær.