Ґмеліна запросили приєднатися до [[Друга Камчатська експедиція|Другої Камчатської експедиції]] [[Вітус Беринг|Вітуса Беринга]] (1733-43рр.). На початку експедиції — на виїзді із [[Санкт-Петербург]]а у серпні 1733 — його супроводжував молодий студент [[Степан Крашенінніков]]. Вони подорожували разом через [[Уральські гори]] та західний [[Сибір]] до [[Єнісейськ]]а. Він описав річку [[Єнісей]] вяк якості кордонукордон між [[Європа|Європою]] та [[Азія|Азією]] і брав участь у вимірюванні найнижчої [[температура|температури]] за всю історію у [[Єнісейськ]]у. Він був також першим, хто виміряв те, що рівень [[Каспійське море|Каспійського моря]] був нижчим, ніж у [[Середземне море|Середземному морі]]. У вересні 1736 він добрався до штабу [[Вітус Беринг|Вітуса Беринга]] у [[Якутськ]]у. На жаль, будинок, де проживав Ґмелін, згорів 8 листопада, знищивши всі його колекції та нотатки, а також частину його бібліотеки. Наступного літа він зібрав повторно зразки для колекції, для того щоб замінити втрату. Його ''Flora Sibirica'' (1747–1769)<ref>{{cite book | last= Gmelin | first= J. G. |author2=S. G. Gmelin | year=1747–1769 | title= Flora Sibirica sive Historia plantarum Sibiriae, 4 vols | edition= | language=Latin| publisher= Imperial Academy of Sciences | location= St Petersburg | url= http://gdz.sub.uni-goettingen.de/no_cache/dms/load/toc/?IDDOC=87829 | accessdate=}}</ref> була основана на його спостереженнях та колекціях. Вона містить описи 1178 видів, 294 з яких ілюстровані. Його племінник [[Самуель Ґотліб Ґмелін]] допомагав йому у редагуванні останніх двох томів. П'ятий том ''Flora Sibirica'', в основному присвячений {{lang-la|Cryptogamae}} був написаний Степаном Крашенінніковим, але не був опублікований. Ґмелін також описав свою подорож у соїй роботі ''Reise durch Sibirien von dem Jahr 1733 bis 1743'' (1751–1752).<ref name="reise">{{cite book | last= Gmelin | first= J. G. | year=1751–1752 | title= Reise durch Sibirien von dem Jahr 1733 bis 1743, 4 vols | edition= | language=Latin| publisher= Abram Bandenhoect | location= Göttingen | url = http://international.loc.gov/cgi-bin/ampage?collId=mtfrb&fileName=14100//mtfrb14100.db&recNum=0&itemLink=r?intldl/mtfront:@field(NUMBER+@od1(mtfrb+14100))&linkText=0&presId=mtfront}}</ref>
