9 июня 1764 года Адмиралтейств-коллегия направила в канцелярию Академии наук предписание о приготовлении необходимого числа подзорных труб, магнитных стрелок, термометров и барометров, которые было велено изготовить по указанию Ломоносова. Профессору С. Румовскому было поручено «сочинить» таблицы расстояний Луны и Солнца «на всякий Санкт-Петербургский полдень». Ломоносов организует в академической обсерватории астрономическую подготовку штурманов — участников экспедиции. Занятия с ними вели Н. Попов и А. Красильников. Следует отметить, что этот почин Ломоносова превратился в традицию. Занятия по астрономии с морскими офицерами велись в Академии наук не только во второй половине XVIII века, когда ими руководил П. Б. Иноходцев, но продолжались до самого основания Пулковской обсерватории в 1839 году.
Ломоносов входил в каждую мелочь снаряжения экспедиции. Для команды были нашиты добротные овчинные шубы, треухи на голову, бахилы и рукавицы с варегами. По указанию Ломоносова, «сверх обыкновенной регламентной дачи» были заготовлены и взяты всевозможные противоцынготные средства.
Ломоносов принимает близко к сердцу и личные интересы людей. Он настаивает на том, чтобы при благополучном окончании плавания главному командиру было дано флагманство, всем обер — и унтер-офицерам «произвождение через два ранга», «матросам и другим всем нижним чинам тройное жалованье, как и в сем пути, так и по желаемом совершении оного до смерти». «Кто в сем путешествии, — оговаривает Ломоносов, — от тяжких трудов, от несчастия или от болезни, в морском пути бывающей, умрет, того жене и детям давать умершего прежнее рядовое жалованье, ей до замужества или до смерти, а им до возраста». Кроме того, Ломоносов предусматривает награды тем, кто покажет «чрезвычайную услугу», а также советует обещать «особливое награждение» тому, «кто первый увидит Чукотский Нос или берег близь проходу в Камчатское море».
К концу лета 1764 года корабли для экспедиции были готовы и отправлены на Колу, где простояли зиму. Летом того же года капитан-лейтенанту М. Немтинову было поручено построить базу для экспедиции на Шпицбергене, куда были доставлены на шести судах десять предварительно разобранных изб, баня и амбар, завезены различные припасы и остальная партия зимовщиков во главе с лейтенантом Рындиным, которая должна была дождаться прибытия экспедиции.
Все время, пока шла подготовка к экспедиции, Ломоносов разрабатывал обстоятельную «примерную инструкцию морским командующим офицерам», в которой не только определял их обязанности в соответствии с целями и задачами экспедиции, но и давал множество практических советов, предусматривающих различные обстоятельства полярного плавания.
Первый проект инструкции Ломоносов представил Адмиралтейств-коллегии уже 25 июня 1764 года. Однако рассмотрение ее задержалось. Ломоносов продолжал трудиться над составлением и исправлением инструкции, настойчиво размышляя обо всем, с чем должны столкнуться участники экспедиции, как бы перебирая в памяти всё, что он об этом знал, слышал и представлял в своем воображении. Присутствуя 18 февраля 1765 года на заседании Адмиралтейств-коллегий, Ломоносов, доложив о необходимых для экспедиции инструментах, прочитал и составленную им «примерную инструкцию», которую снова взял «для некоторых исправлений». Только 4 марта 1765 года, за месяц до кончины Ломоносова, текст инструкции был окончательно утвержден.
Ломоносов, несомненно, вкладывал в инструкцию и свой личный поморский опыт. Он сообщал старинные приметы, которыми пользовались поморы, вынужденные плыть в тумане или занесенные бурей в неведомые места. Ломоносов указывал, что о близости берега можно судить по уменьшению солености морской воды, по резкой смене приливного течения на противоположное, причем чем меньше оно согласовано с фазами луны, тем берег ближе.
Он обращает внимание северных мореплавателей и на такие признаки: «Когда два или три дни с одной стороны ветр сильной веет, а не производит великих волн, то значит, что в той стороне земля или стоячей лед близко. Когда же, напротив того, ветр переменится в поперечной или противной, а старые волны ходят после того долго, то значит, что в той стороне, откуда идут, лежит великое море. Плавающие по воде леса и по заплескам плавник много подают вероятных догадок к рассуждению: весьма обитые деревья — далекость, мало поврежденные и зеленые — близость места их ращения».
Ломоносов дает подробные наставления командиру судна, какие предосторожности надо соблюдать в пути и как поступать в случае встречи с «великими льдами» и если по нужде «зимовать приключится». Он рекомендует участникам экспедиции вести систематические научные наблюдения и «сверх обыкновенного морского журналу» отмечать «состояние воздуха по метеорологическим инструментам, время помрачения луны и солнца, глубину и течение моря, склонение и наклонение компаса». Он предлагает «с знатных мест брать морскую воду в бутылки и оную сохранить до Санкт-Петербурга с надписью, где взята», советует «записывать, какие где примечены будут птицы, звери, рыбы, раковины и что можно будет собрать в дороге и не будет помешательно, то привезти с собой», собирать образцы горных пород, камни и минералы, вести этнографические наблюдения там, где окажутся люди, «описывать, где найдутся, жителей вид, нравы, поступки, платья, жилище и пищу».
Ломоносов советует начальнику экспедиции проявить выдержку и терпение, и если между Гренландией и северным концом Шпицбергена окажутся тяжелые льды, то «не оставлять надежды и без наивозможного покушения в продолжении пути не возвращаться», но в то же время и не идти безрассудно напролом. Если мореплаватели приметят, что «кряж Северной Америки близко к полюсу простирается и при том опасные льды покажутся, то далее 85 градусов не отваживаться, а особливо, когда уже август начнется, и для того поворотиться назад и итти по прежнему с мыса на мыс, записывая все, что надобно к будущему мореплаванию, которое следующей весны предприять должно, чем ранее, тем лутче».
Ломоносов предвидел необходимость исследовательских попыток проникнуть вглубь Арктики и систематическое накопление для этого необходимого научного материала.
Ломоносов предвидел также тяжелые лишения и трудности экспедиции. В случае вынужденной зимовки, если судно будет повреждено, он советует построить в удобном месте на берегу избу из леса или плавника, сложить печь из глины, а если ее нет, из дикого валуна каменку или очаг, стараться во время зимовки «всячески быть в движении тела, промышляя птиц и зверей, обороняясь от цынги употреблением сосновых шишек, шагры и питьем теплой звериной и птичьей крови, ограждаясь великодушием, терпением и взаимным друг друга утешением и ободрением, помогая единодушием и трудами, как брат брату, и всегда представляя, что для пользы отечества всё понести должно».
Он не исключает возможности человеческих жертв, гибели экспедиции. Но это не должно остановить русских людей. «Жаление о людях много чувствительнее, нежели о иждивении, — писал он в своем «Проекте», — однако поставим в сравнение пользу и славу отечества. Для приобретения малого лоскута земли или для одного только честолюбия посылают на смерть многие тысячи народа, целые армии, то здесь ли должно жалеть около ста человек, где приобрести можно целые земли в других частях света для расширения мореплавания, купечества, могущества, для государственной славы…»
Интересы науки, высокая цель завоевания природы для Ломоносова дороже всего. Он заботится о том, чтобы результаты научной экспедиции не пропали бесследно, даже в случае гибели ее участников. «Ежели, — писал он, — которому судну приключится крайнее несчастие от штурма или от другой какой причины… тогда, видя неизбежную погибель, бросать в море журналы, закупорив в бочках, дабы хотя может быть некогда по случаю оные сыскать кому приключилось. Бочки на то иметь готовые, с железными обручами, законопаченные и засмоленные».
В конце инструкции Ломоносов обращается к участникам экспедиции с замечательными словами, в которых говорит о радости научного труда и безграничности человеческого познания, о необходимости смело идти вперед, невзирая на ошибки и неудачи; наказывает им «помнить, что всеми прежде бывшими безуспешными и благоспоспешествованными трудами мужеству и бодрости человеческого духа и проницательству смысла последний предел еще не поставлен и что много может еще преодолеть и открыть осторожная их смелость и благородная непоколебимость сердца».