В 1802 году начались сборы первой русской кругосветной экспедиции, организатором которой был Крузенштерн. Экспедиция состояла из двух кораблей «Надежда» и «Нева» и отплыла из Кронштадта в 1803 году. Кругосветка продлилась три года и прошла через Атлантический, Тихий океаны, Камчатку, Сахалин. Интересно, что в плаваниях путешественника сопровождал четвероногий друг – спаниель.
Во время экспедиции Крузенштерном впервые были выполнены широкие океанографические и метеорологические работы в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах, положено начало систематическим глубоководным исследованиям океана. Также он произвел опись части Курильских островов, побережий Сахалина, Камчатки, некоторых островов Японии. По итогам путешествия мореплаватель составил «Атлас Южного моря» с подробными картами и рисунками, а все результаты океанологических и этнографических исследований изложил в 3-томном труде «Путешествие вокруг света в 1803, 1804, 1805 и 1806 годах на кораблях "Надежда" и "Нева"».
В последующие годы Крузенштерн преподавал в морском кадетском корпусе, сначала инспектором (с 1811), а затем стал и директором (1827-1842). На своем посту он провел ряд улучшений в заведении: обогатил библиотеку, учредил офицерский класс, расширил список предметов.
Также Иван Федорович был членом-учредителем Русского географического общества, членом Лондонского королевского общества, почетным членом Петербургской Академии наук и многих других научных обществ.
Иван Федорович Крузенштерн умер (12) 24 августа 1846 года в Таллине.
Его именем назван ряд географических объектов (проливов, островов, мысов, гор) в Тихом океане, а в Санкт-Петербурге установлен памятник адмиралу.