I 1848 ledet Nevelskoj en ekspedisjon til Russlands fjerne østen, som utforsket områdene ved Sakhalin og munningen av elva Amur. 13. august 1850 grunnla han Nikolajevsk-na-Amure, den første russiske bosetningen i regionen. Russerne kjente ikke til reisene til den japanske sjøfarende Mamiya Rinzo, som utforsket det samme området førti år tidligere, og de tok dermed Nevelskojs rapport som det første beviset på at Sakhalin faktisk var ei øy. De omdøpte Tartabukta til Tatarstredet, og kalte den nordligste og smaleste delen av stredet Nevelskojstredet, til ære for kaptein Nevelskoj.