Проникновение русских в Сибирь началось с её северо-западного угла — с северного Зауралья. Уже в XI—XII вв. сюда ходили ватаги новгородцев, добывавшие пушного зверя и выменивавшие у местного населения меха на железные изделия. За ними шли снаряжённые новгородскими боярами военные отряды, собиравшие дань мехами с обитавших здесь племён. В конце XV в. сюда ходили и московские рати. В 1483 г. князь Фёдор Курбский, поднявшись по реке Вишере и перейдя Уральские горы, покорил Пелымское княжество, одно из крупнейших мансийских племенных объединений в бассейнах рек Пелым и Тавда. Спустившись вниз по Тавде и Тоболу, его войско оказалось в «Сибирской земле» — так называлась тогда небольшая территория в низовьях Тобола, где обитало племя «сыпыр». Отсюда ратные люди по Иртышу прошли на Обь (в её среднем течении), где успешно «воевали угорских князей». Зимой 1499—1500 гг. четырёхтысячная «лыжная рать» во главе с князьями Семёном Курбским и Петром Ушатым совершила поход в низовья Оби «на югру и самоядь», т. е. в ненецко-эвенкийские и ханты-мансийские земли. Эти походы привели к тому, что угорские «князьцы» и старейшины некоторых ненецких родоплеменных групп признали себя вассалами русского государя и обязались ежегодно доставлять дань в его казну. Однако отсутствие на этой территории русских административных центров и постоянного русского населения делало выплату этой дани нерегулярной.
В XVI в. движение русских охотников-промысловиков на северо-запад Сибири возросло. В то время существовало два основных пути из России в Сибирь — сухопутный и морской. Первый из них — «чрезкаменный», известный ещё новгородцам, — проходил по Печоре и её восточным притокам и далее через Камень (как называли тогда Уральский хребет) к притокам Нижней Оби. Продвигаясь этим путём, уже в начале XVI в. поморские промышленники перешли Обь и попали в бассейн реки Таз — сказочно богатую пушным зверем (особенно ценным соболем) страну Мангазею, названную так по имени одного из самодийских племён. К концу века Мангазея была полностью освоена торговыми и промышленными людьми, построившими здесь многочисленные острожки — укреплённые зимовья, служившие местом пребывания промысловых артелей и менового торга с хантами и самодийцами. Лишь в 1600 г. здесь появился первый военный отряд и на месте одного из острожков был построен город Мангазея, ставший административным центром этой «златокипящей государевой вотчины», которая несколько десятилетий являлась основным поставщиком ценной пушнины в царскую казну.
Другой путь в Сибирь шёл «морем-окияном». Этим путём русские мореходы из Поморья ходили на промысел морского зверя в устья Оби и Енисея. «Мангазейский морской ход» был хорошо освоен уже к середине XVI в., а в начале следующего столетия полярные мореходы плавали и вокруг Таймыра.
Ликвидация в середине XVI в. Казанского ханства открыла более удобный и короткий путь в Сибирь — по Каме и её притокам. Однако оставалось ещё одно препятствие — Сибирское ханство, остаток некогда могущественной Золотой Орды. Это было паразитическое и довольно примитивное государственное образование, основанное на завоевании и жестокой эксплуатации местных племён пришедшей с юга военно-кочевой знатью, совершенно чуждой коренному населению. Устранить эту преграду и открыть в Сибирь широкий доступ для русских переселенцев выпало на долю отряда волжских казаков под предводительством Ермака. Результаты похода Ермака (1582 г.) были закреплены присылкой сюда отрядов стрельцов и основанием первых русских сибирских городов — Тюмени (основанной на месте татарского поселения в 1586 г.) и Тобольска (1587 г.). Этим было положено начало действительному освоению и присоединению Сибири к России.
Дальнейшее продвижение в Сибирь шло главным образом в восточном направлении, в слабозаселённые и наиболее богатые пушным зверем таёжные и тундровые районы, поскольку пушнина была одним из основных стимулов освоения Сибири на раннем его этапе.
Стихийная народная колонизация опережала правительственную. Впереди шли вольные промышленники, и лишь по их следам, путями, ими проторёнными, в открытые этими первопроходцами «землицы» направлялись отряды служилых людей, приводившие под «высокую государеву руку» местное население и облагавшие его «ясаком» (данью мехами). Примерно в 1620 г. из Туруханска, основанного в 1607 г., на поиски великой реки Лены отправился «гулящий человек» (т. е. человек, не находящийся на государственной службе и не платящий податей) Пенда во главе ватаги из сорока таких же вольных промышленников. Это легендарное путешествие продолжалось несколько лет, его участники преодолели около 10 тыс. км. Отряд Пенды поднялся по Нижней Тунгуске и, преодолев скалы и стремнины, дошёл до самых её верховий. Перетащив волоком свои суда, он вышел на Лену и спустился по ней до того места, где позднее был основан Якутск. Отсюда люди Пенды повернули обратно, дошли до истоков Лены и через бурятские степи вышли к Ангаре. Первыми из русских проплыв по ней, преодолев её грозные пороги, Пенда и его товарищи уже знакомой дорогой по Енисею вернулись в Туруханск.
В конце 20-х гг. был открыт путь от Ангары по её притоку Илиму, а с Илима — «Ленским волоком» на приток Лены Куту. Этой дорогой, ставшей вскоре основной, в 1628 г. на Лену прошёл казак Василий Бугор. В 1632 г. енисейский казачий сотник Пётр Бекетов основал Ленский острог (Якутск), ставший основной базой дальнейшего освоения Восточной Сибири.
30—40-е гг. XVII в. — самое бурное время в истории русских географических открытий. Важным событием стало достижение русскими людьми Тихоокеанского побережья. В 1639 г. отряд томских казаков во главе с Иваном Москвитиным вышел к Охотскому морю и совершил по нему плавание до устья Амура.
Особенно значительными открытиями ознаменовались походы в северо-восточном направлении. Уже на следующий год после основания Якутска казачьи отряды во главе с землепроходцами Ильёй Перфильевым и Иваном Ребровым впервые вышли по Лене к Северному Ледовитому океану и, следуя далее на восток морским путём, достигли устья Яны, а затем и Индигирки. Так было положено начало русскому полярному мореходству у северо-восточных берегов Азии. В 1643 г. отряд Дмитрия Зыряна и Михаила Стадухина, спустившись по реке Алазее, прошёл морем на Колыму и поставил там три зимовья. Кульминацией этих походов явилась экспедиция Семёна Дежнёва и Федота Алексеева, завершившаяся открытием величайшего мирового значения: впервые был обнаружен и пройден пролив, отделяющий Азию от Америки.
Одновременно с исследованием и освоением северо-востока Сибири шло продвижение россиян и в южном направлении — в Приамурье, в «Даурскую землю», как называли этот район по имени обитавших здесь дауров. В 1643 г. воевода Якутска снарядил и отправил на Амур военную экспедицию во главе с Василием Поярковым для «объясачения» амурского населения. Поднявшись по Алдану и его притокам, Поярков перевалил на Зею и по ней вышел к Амуру. Встретив упорное сопротивление даурских «князьцов», он спустился по Амуру до моря, совершил плавание вдоль побережья Охотского моря к устью реки Ульи, откуда по пути, пройденному незадолго до него Москвитиным, вернулся в 1646 г. в Якутск. И хотя на сей раз закрепиться в Приамурье не удалось, собранные во время похода сведения о географии и природных условиях этого района, о народах, обитавших здесь, сыграли большую роль в дальнейшем освоении русскими «Даурской земли».
В 1649 г. богатый предприниматель Ерофей Хабаров на свои средства нанял и снарядил большой отряд «охочих» людей (т. е. добровольцев) и во главе его двинулся на Амур. Он пошёл другим путём, хорошо разведанным до него, — по Олёкме и через «Тугирский волок» на Шилку. Этот поход положил начало освоению Приамурья. Уже в начале 50-х гг. здесь появились первые партии переселенцев — промышленников, «гулящих людей», крестьян.
В 1658 г. в верховьях Амура, при впадении Нерчи в Шилку, был основан Нерчинский острог, который должен был служить базой для дальнейших действий в Приамурье.
Событием, завершившим историю открытий русских землепроходцев в XVII в., стал поход сибирского казака Владимира Атласова на Камчатку в 1697—1699 гг. «Камчатский Ермак», как называл его А.С. Пушкин, прошёл весь Камчатский полуостров из конца в конец и составил его географическое и этнографическое описание. Тем самым был достигнут «край и конец Сибирской земли» и положено начало новому этапу географических открытий, связанных с изучением Тихого океана и северо-запада Америки.