I forskningsooppdrag for akademiet reiste han i Holland og England. Etter sin tilbakekomst ble han sammen med Johann Georg Gmelin gitt i oppdrag av keiserinne Anna av Russland å lede den historiske og etnografiske arbeidsgruppe i en lenge planlagt forskningsekspedisjon. Som sådan dro han med den såkalte andre Kamtsjatkaekspedisjonen rundt i Sibir i ti år (til 1743). De var nitten vitenskapsfolk og kunstnere som reiste rundt og studerte folkene og kulturene, og samlet inn materiale til bruk for utarbeidelse av kart. Müller, som beskrev og kategoriserte klesdrakter, religioner og religioner innen forskjellige sibirske etniske grupper, kom til å bli kalt etnografiens far.