Весной 1700 г. Атласов прибыл в Якутск. Донесение о новых землях и богатый ясак произвели в Якутске, главном административном центре Северо-Восточной Сибири, огромное впечатление. Атласова срочно отправили в Москву.

Казачий пятидесятник Атласов в своих «скасках» (отчетах) составил описания и чертежи Камчатки, сообщил много интересного о природе и населении полуострова. Ему принадлежат первые упоминания о вулканах и горячих источниках. Глава Сибирского приказа (центральное правительственное учреждение в России XVII-XVIII вв., до 1763 г. ведавшее территорией всей Сибири) дьяк Андрей Виниус внимательно выслушал рассказы Атласова. Интерес к его походу проявил Петр I. Поход Атласова — начало нового этапа освоения русскими северо-востока нашей Родины.

В 1703 году отряд казаков во главе с Родионом Преснецовым достиг Авачинской губы. В 1704-1706 гг. построены Верхнекамчатский и Нижнекамчатский остроги на местах казачьих зимовок, в 1711 г. — Большерецкий острог. В 1707 г. Атласов вновь прибыл на Камчатку с большими полномочиями от государственной власти. Решительные меры Атласова по наведению порядка в сборе ясака, крутой и властный характер вызвали общее недовольство и сопротивление. В январе 1711 г. казаки организовали заговор и убили Владимира Атласова.

В честь Атласова названы поселок в центральной части Камчатки, один из островов Курильской гряды и улица в г. Петропавловске-Камчатском. Но самую высокую оценку дал Атласову А.С. Пушкин, назвав его «камчатским Ермаком».

Поисками новых земель продолжал заниматься молодой казак Иван Козыревский. В 1726 г. в Якутске Козыревский передал Витусу Берингу «Чертеж Камчадальского Носу и морским островам» с подробными пояснениями, в которых отразились познания землепроходцев о землях, бывших до того «неведомыми». Об имени первооткрывателя Курильских островов напоминают поселок Козыревск и река Козыревка.

Походы русских на Камчатку из Якутска и Анадыря были весьма опасны и занимали много времени. Возникла потребность поисков морского пути от Охотска на Камчатку.

Первое на Тихом океане морское судно — ладья «Восток» — было построено в Охотске. Летом 1716 г. на этом судне служилый человек Кузьма Соколов, кормщик Яков Невейцын, мореходы Никифор Треска и Андрей Буш совершили первое плавание на Камчатку. Морской путь оказался гораздо удобнее сухопутного. Важное значение в связи с плаванием на Камчатку приобрел на западном побережье Большерецкий острог. Отважные мореходы с ладьи «Восток», осуществившие первый морской переход до Камчатки, позднее участвовали в плаваниях В. Беринга, Ф. Лужина.

Большой вклад в изучение Камчатки внес Степан Петрович Крашенинников, в 1732 г. зачисленный студентом при Академии наук. Его включили в состав большой экспедиции, снаряженной Академией наук для исследования малоизвестных областей Сибири, к которым относилась и Камчатка. Крашенинников вел дневник — «дорожный журнал», усердно записывал все, что видел. Посланный на Камчатку, он заменил целый отряд исследователей. Он стал первым представителем большой академической науки на полуострове. Ученый побывал во многих местах: от реки Озерной на юге до рек Караги и Лесной на севере, странствовал по западному и восточному побережьям, посетил Верхнекамчатский и Нижнекамчатский остроги, осмотрел Авачинскую губу. Путешествовал на собачьих упряжках, верхом на лошадях, шел пешком, сплавлялся по реке Камчатке. Он описывал горы и среди них самый высокий действующий вулкан Азии — Ключевскую сопку.

Исследовал Крашенинников и горячие источники, которые пользовались у ительменов плохой славой. Особое внимание уделял исследователь растительному и животному миру. Изучал Крашенинников и жизнь коренных народов. Увлеченно собирал сведения об истории Камчатки. Совершил путешествие на север полуострова для изучения быта коряков.

В 1741 г. Крашенинников покинул Камчатку. В наследие остались его труды, и среди них самый главный — «Описание земли Камчатки». Книга, снабженная подробными картами, повествует о географическом положении Камчатки, горах, реках, полезных ископаемых, растительном и животном мире. Она стала классическим образцом географического, этнографического и исторического исследования.

Петр I всегда интересовался Сибирью и Дальним Востоком. Открытие морского пути из Охотска на Камчатку способствовало дальнейшему изучению северной части Тихого океана.

В 1724 г. Петр I отдал указ о подготовке экспедиции. Руководителем стал Витус Беринг, опытный моряк. Уроженец Дании, Беринг — прослужил в Российском флоте 20 лет. 6 января 1725 г. Петр I лично составил инструкцию Берингу. Более всего его интересовали берега Северной Америки. Экспедиция, длившаяся с 1725 г. по 1728 г., должна была окончательно решить вопрос о существовании пролива между Азией и Америкой. В конце 1726 г. экспедиция достигла Охотска, затем морем достигла Большерецка и Нижнекамчатска. В 1728 г. на боте «Святой архангел Гавриил» Беринг прошел от восточного побережья Камчатки до пролива, некогда открытого С. Дежневым. Мореплаватели вернулись из-за непогоды. Неудачей окончилась попытка добраться до берегов Америки и через год.

Первая Камчатская экспедиция обогатила науку ценными сведениями о восточном побережье Сибири, новыми картами, точными определениями координат азиатского берега, пролива, названного позднее Беринговым.

В 1730 г. правительство приняло решение об организации Второй Камчатской экспедиции. Ее задачами являлись: изучение и нанесение на карты побережий севера и северо-востока Азии, отыскание возможности судоходства по Северному Ледовитому океану, проведывание пути в Америку и Японию, всесторонние исследования недр и природы Сибири, жизни и быта населявших ее народов. На Беринга и Чирикова возлагалась задача — достигнуть берегов Северо-Западной Америки. 4 июня 1741 г. оба пакетбота отправились в путь. Пакетбот «Святой апостол Петр» возглавлял начальник экспедиции Беринг, «Святой апостол Павел» — Чириков. Центрами экспедиционной деятельности являлись Большерецкий и Нижнекамчатский остроги.

В 1740 г. штурман Иван Фомич Елагин прибыл на берег Авачинской губы. Решение о создании здесь новой базы экспедиции возникало и раньше, но именно Иван Елагин выбрал место для закладки порта и поселения рядом с ительменским острожком. Удобная гавань, укрытая от Авачинской губы Никольской сопкой, называлась тогда по имени острожка Ниакиной. Селения ительменов находились на узкой косе, прикрывающей вход в гавань (ныне здание морского вокзала), также на Озерновской косе и на месте современного поселка Авача. Из леса, заготовленного еще осенью 1739 г., заложили строения: пять жилых домов, три казармы, амбары. Штурман Елагин вычертил обстоятельную карту Авачинской губы, составил подробный план Ниакиной (Петропавловской) гавани и сооруженных к тому времени построек. Это было первое изображение гавани и порта.

В северной части порта стояли офицерский дом и канцелярия, у основания Никольской сопки — склады-магазины. Восточнее — казармы нижних чинов. Выше — пороховой погреб. Была возведена и походная церковь. На косе — «кошке» — Елагин обозначил характерные ительменские балаганы на сваях.

6 октября (17 октября по новому стилю) 1740 г. построенные в Охотске пакетботы «Святой апостол Петр» и «Святой апостол Павел», на борту которых находились Витус Беринг и Алексей Чириков, вошли в Авачинскую губу, встали у строящегося порта. Эта дата — день рождения г. Петропавловска-Камчатского.

В 1743 г. Сенат приостановил работу Второй Камчатской экспедиции.

Итоги обеих экспедиций были значительны: открыт американский берег, обследован пролив между Азией и Америкой, изучены Курильские острова, побережье Америки, Алеутские острова, уточнены представления об Охотском море, Камчатке, Японии. Работа экспедиций способствовала освоению и заселению Камчатки: возникали новые поселения, обустраивались существовавшие. В городе Петропавловске-Камчатском героям Камчатских экспедиций посвящены два памятника: первый, изготовленный в Петербурге, установлен в период между 1824 и 1826 годами по инициативе начальника Камчатки П. И. Рикорда и флотских офицеров. Литая чугунная колонна, напоминающая пушечный ствол, на гранях постамента — венки с факелами, символ мужества и отваги. На чугунной плите надпись: «Основателю Петропавловска в 1740 г. мореплавателю Берингу». Этот памятник — самый давний на Дальнем Востоке. Стал неотъемлемой частью города второй памятник — стелла, увенчанная изображениями пакетботов Беринга и Чирикова. Памятники Берингу, установленные в разное время, находятся на острове, носящем его имя. Отмечено и место, где скончался командор. В музеях села Никольского, города Петропавловска-Камчатского экспонируются найденные при раскопках землянок, в которых зимовал экипаж «Святого апостола Петра», части корабельного снаряжения и вещи участников экспедиции.

После экспедиции Беринга изучение северной части Тихого океана продолжалось. Необходимо было закрепить эти открытия, научно описать новые земли, нанести их на карты.

Северная часть Тихого океана привлекала также внимание английского и французского правительств. Для поиска северо-западного прохода из Тихого океана в Атлантический предпринял свое третье плавание известный английский мореплаватель Джеймс Кук. Удачно начатая экспедиция оказалась для Кука последней. Он погиб в стычке с туземцами на Гавайских островах. Командование кораблями принял Чарльз Клерк. В апреле 1779 г. по пути на север суда «Дискавери» и «Резолюшен» зашли в Петропавловскую гавань пополнить запасы воды и продовольствия. Главный командир Камчатки Магнус Бем и его помощник Василий Шмалев оказали английским морякам радушный прием. Корабли Клерка прошли Берингов пролив, но отступили перед сплошными ледяными полями. На подходе к Авачинской губе от тяжелой болезни Клерк скончался. Его похоронили в Петропавловске. Английские, французские и русские моряки ухаживали за могилой Клерка. В 1913 г. англичане установили в городе пирамидальный четырехгранный обелиск, посвященный Клерку.

В августе 1787 г. в Петропавловскую гавань зашли корабли «Астролябия» и «Буссоль» под командованием Жана Франсуа Лаперуза, которые совершали кругосветное плавание. Экспедиции был оказан добрый прием. В городе было около 100 жителей. На балу, устроенном в честь Лаперуза, присутствовали все тринадцать петропавловских дам. Не суждено было возвратиться на родину и Лаперузу. Он и его спутники погибли у атолла Ваникоро на Соломоновых островах. В 1843 г. по просьбе французского правительства и по переданным из Франции чертежам в Петропавловске был установлен памятник Лаперузу. В 1854 г., во время Петропавловской обороны, он сильно пострадал от обстрела. В 1882 г. ученый естествоиспытатель Б. Дыбовский на собственные средства восстановил его в новом облике. Через 10 лет русские моряки крейсера «Забияка» соорудили новый памятник, который и сейчас украшает главную улицу города.

В первой половине XIX века начался новый период в истории Камчатки и Петропавловской гавани.

Благодаря удобному положению, Авачинская бухта стала базой русских кругосветных и полукругосветных плаваний. В XIX в. более 30 раз заходили в порт суда во время таких плаваний. Корабли почти всех известных мореплавателей бросали здесь якоря.

14 июня 1804 г. под командованием опытного мореплавателя Ивана Федоровича Крузенштерна в порт вошел шлюп «Надежда», совершавший из Кронштадта вместе со шлюпом «Нева» первое русское кругосветное путешествие. Петропавловскую гавань в 1809 г. посетил выдающийся исследователь Василий Михайлович Головин. В 1817-1819 гг. и в 1829 г. здесь был русский мореплаватель и географ Федор Петрович Литке.

9 апреля 1812 г. было утверждено новое положение Камчатки. Данным положением Петропавловская гавань становилась административным центром Камчатки (ранее им был Нижнекамчатск). Первым начальником Камчатки стал лейтенант флота Петр Иванович Рикорд (впоследствии адмирал). В 1822 году поселение было возведено в ранг российских городов. После П. И. Рикорда начальником Камчатки с 18 сентября 1822 г. был Станицкий.

Город рос. В 1830 г. число жителей насчитывало около 1000 чел.

7 октября 1840 г. начальником Камчатки стал Н. В. Страннолюбский. В период его правления каждый день стреляла пушка, извещавшая горожан о наступлении полудня. В городе были единственные часы и те — солнечные. Стрельба обходилась казне в 45 рублей в год, и Артиллерийский департамент предписал прекратить стрельбу.

1 июля 1850 г. у входа в Авачинскую бухту был построен Петропавловский маяк, просматриваемый с расстояния 30 миль. Это был первый маяк на всем русском побережье Тихого океана. Собранный из чугунных сегментов в 1897 г., маяк действует и в настоящее время.

В 1849 г. Камчатку посетил Н. Н. Муравьев, генерал-губернатор Восточной Сибири. 2 декабря 1849 года последовал указ об образовании самостоятельной Камчатской области.

Петропавловский порт становился главным портом на Тихом океане. В феврале 1849 г. на должность военного губернатора и командира Петропавловского порта был назначен капитан I ранга Василий Степанович Завойко, который развернул большую деятельность по строительству Петропавловского порта. Город при нем вырос, население составляло 1594 чел., проживавших в 116 деревянных домах. Весь город был выстроен исключительно из дерева. Частные дома были крыты травой, а казенные — железом.

Много внимания В. С. Завойко уделял разведению различных сельскохозяйственных культур. Губернатор обязал каждую городскую семью садить не менее 10 пудов картофеля. Ежегодно осенью по его инициативе проводились сельскохозяйственные выставки.
Усилия местных властей не могли существенно изменить экономику и культуру Камчатки, а царское правительство проявило безразличие к судьбе далекой окраины России, что не способствовало экономическому и культурному развитию полуострова.
Одна из самых ярких страниц истории города — оборона Петропавловского порта от англо-французской эскадры в 1854 г. В планах Англии и Франции определенное место занимали дальневосточные окраины России, и в первую очередь, Петропавловский порт — ее главная военно-морская база на Тихом океане. Они намеревались отобрать у России Аляску, Алеутские и Командорские промыслы, побережья Берингова и Охотского морей, проникнуть на Камчатку, Сахалин.
С объявлением войны, летом 1854 г., шесть военных кораблей: фрегаты «Президент», «Пайке», «Форт», «Эвридика», бриг «Облигадо» и пароход «Вираго» двинулись к Петропавловскому порту. Губернатор В. С. Завойко, зная о возможности нападения на город, принял меры к организации обороны. Силы гарнизона были малыми и слабо вооруженными. 19 июня подошла неожиданная помощь: в гавани бросил якорь фрегат «Аврора», подошел корвет «Оливуца» и 24 июня на военном транспорте «Двина» прибыли 350 солдат из устья Амура. В. С. Завойко обратился с воззванием к жителям города, окрестных сел и поселений: «Петропавловский порт должен быть всегда готов встретить неприятеля. Я пребываю в твердой решимости, как бы ни многочисленен был враг, сделать для защиты порта и чести русского оружия все, что в силах человеческих, возможно, драться до последней капли крови».
17 августа 1854 г. англо-французская эскадра вошла в Авачинскую бухту. Началась героическая оборона города, продолжавшаяся десять дней. Главной ареной боя стала Никольская сопка. Здесь 24 августа произошло сражение. Свыше 900 англичан и французов высадились на берег. Им противостояли около 300 русских воинов. Никольская сопка вместила такое количество людей, какого она еще не видела. На вершине противоборствующие стороны сошлись врукопашную. Противник бежал, оставив защитникам знамя полка. Потеряв 450 человек убитыми и раненными, завоеватели отказались от захвата города и покинули бухту.
Рапорт о победе и трофейное знамя доставить в Петербург было поручено одному из славных защитников города Дмитрию Максутову. Вскоре весь мир узнал о подвиге защитников Петропавловского порта.
Именами героев названы улицы города, а Никольская сопка стала священным памятником доблести, геройства и мужества русского человека. В память о героическом подвиге камчатцев в 1854 г. имена фрегата «Аврора» и порта Петропавловск приняли будущий легендарный крейсер «Аврора» и броненосец Порт-Артурской эскадры «Петропавловск».
Тени березовых ветвей колеблются на темных чугунных гранях 8-метрового монумента Славы. Установленный на гребне Никольской сопки, он высится над местами былых сражений. Дата установления памятника — 1881 год. Этот монумент — старейший в комплексе мемориальных и надгробных сооружений Никольской сопки.
Особое место занимает небольшой некрополь с каменной часовней. Центральной частью ансамбля являются две братские могилы: в правой погребены русские воины, в левой — англо-французы. В 1954 г. открыт памятник «Слава» с посвящением: «Героям третьей батареи лейтенанта Максутова, жизни не пощадившим для разгрома врага. От моряков-тихоокеанцев в день столетия Петропавловской обороны». На легендарном перешейке стоит героическая «Смертельная» батарея лейтенанта Максутова. Пять орудий на деревянных лафетах сторожат морские подступы к городу.
С 1855 г. город стал забытой окраиной. Порт переведен в Николаевский, корабли покинули Авачинскую бухту. В конце XIX — начале XX в. город больше походил на деревню. Сокращалось население. В 1890 г. оно составляло 506 чел., а в 1900 г. — всего 383 чел.