C 1840-го года на Каспийском море стали развиваться почтовое и пассажирское пароходства, которые потребовали уточнения навигационных карт Каспия. Были попытки составления плана съемки и измерения глубин Каспийского моря в 1839 году капитаном 1-го ранга Путятиным, не получившие дальнейшего применения. В 1851-м году лейтенант каспийской флотилии К. Л. Петрушевский представил опись Каспия. В 1853-м году адмиралом Ф. П. Литке было предложено собрать все варианты съемки Каспийского моря, дополнить их астрономическими наблюдениями и составить подробное описание Каспийского моря.

В ноябре 1853 года капитан-лейтенанту Н. А. Ивашинцову, ранее участвовавшему в съемках Балтийского моря, устья Сыр-Дарьи, было поручено составление общего проекта и сметы для предварительного исследования части Каспийского моря, от Астрахани на севере до Астрабада. Для экспедиции были привлечены пароход, две парусные шхуны, две баржи и 5 шлюпок. Разразившаяся русско-турецкая война заставила перенести начало экспедиции.

В 1854-м году Ивашинцов отправился вдоль южного берега Каспия в Энзели и Астрабадский залив, изучая береговую линию западной и южной части Каспийского моря. В этом же году вместе с командиром Астраханского порта совершил путешествие по Каспийскому морю, посетив военные морские станции, во время которого были внимательно осмотрены северное и восточное побережья моря. В 1858 году военно-морское ведомство снарядило экспедицию, которая отправилась из Астрахани. Однако судно дало течь, и через три недели участникам экспедиции пришлось возвратиться в Астрахань. Во время этого короткого путешествия было определено место наименьшей ширины моря в его северной части - о. Чечень и мыс Тюб-Караган. В следующем году вновь была организована экспедиция, которая в основном пролегала в средней части Каспийского моря. За 55 месяцев пути было исследовано 11 пунктов. Из-за болезни руководителя было решено научные исследования на время приостановить. И в 1860-м году были обследованы восточный и южный берега Каспия. Помимо астрономических работ были сделаны метеорологические наблюдения, температура, влажность изучаемых регионов, а также гидрологические промеры глубин. Данные измерений глубин моря позволили разделить Каспийское море на три отличающиеся друг от друга части (характером и видом берегов и многим другим): северный бассейн - к северу от о. Чечень и Тюб-Караган; средний - от Апшерона к Красноводскому заливу; и нижний бассейн - собственно впадина Южного Каспия (древнее Гирканское море). В бухте Муравьева Ивашинцов повстречался с экспедицией полковника Дандевиля, знакомого нам по прежним публикациям. Он был направлен из Оренбурга для топографической съемки Западно-Туркменской низменности, прилегающей с востока к Каспийскому морю. Исследователи обменялись результатами проделанных работ.

В течение пятнадцати лет, с 1856-го по 1871 год, Ивашинцов продолжал исследования Каспия. Эта работа была сопряжена с большими трудностями. Во время одной из экспедиций корабль с командой исследователей в сильную бурю был выброшен на Коутриф и, ударившись о скалы, пошел ко дну. Из 75-ти человек 23 участника экспедиции погибли. Случалось, что лишь чудом удавалось спастись путешественникам от разбушевавшейся стихии.

Маршруты экспедиции Ивашинцова пролегали через Астрахань, Кавказский берег, Хивинскую косу, о. Огурчинский, о. Челекен, Красноводский залив, Карабогазский залив, залив Киндерли, мыс Токмак, залив Александр-бай, Тюб-Караган, о. Кулалы, о. Долгий.

Если раньше делались лишь зарисовки в основном рельефа географической местности, то работа Ивашинцова была обогащена промерами глубин, топографическими и астрономическими дополнениями практически всей территории Каспийского моря. Он производил астрономические и магнитные наблюдения, исследовал рельеф дна и составил карты берегов. За время экспедиций была сделана береговая съемка практически всех побережий, морские промеры с определением всех отмелей и рифов, определены изменения уровня моря, исследованы рельеф и дно Каспия, осадки и глубинные морские животные, сделаны магнитные наблюдения берегов Каспийского моря.

Экспедиция Ивашинцова работала на Каспии до 1871 года. За это время было составлено 25 подробных высокоточных карт Каспийского моря, 24 точных топографических плана и два атласа, а также атлас магнитного склонения, первая батиметрическая карта моря и гидрографическая опись физико-географических характеристик этого водоема. За научные исследования Каспийского моря неутомимому путешественнику была присуждена "Константиновская золотая медаль". В 1867-м году он был назначен членом Морского технического комитета, а через два года Императорской академией наук произведен в контр-адмиралы.