В указе царя подчеркивалась необходимость /сыскать несколько человек из шведов, которые искусны инженерству, артиллерии и которые в минералах разумеют». Поэтому в состав экспедиции были включены военнопленные шведские офицеры, сосланные в Сибирь. К лету 1715 г. сформировали, обучили и снарядили три полка: Санкт-Петербургский, Московский и Драгунский. Организаторы экспедиции придавали немаловажное значение усилению вооружения создаваемого отряда, только артиллерийских орудий было взято 70 [1, с.160].
Одновременно с подготовкой экспедиции предпринимались дипломатические усилия с целью убедить джунгарских правителей, что действия отряда не затронут их интересов. Послам Джунгарии Сайзану Ерке-Тарзахе и Гендуле Дундуку, находившимся в Тобольске в момент прибытия туда подполковника И.Д.Бухгольца, князь Гагарин заявил, что создаваемая экспедиция не имеет завоевательных целей, её задачей является только разведка недр. К верховному правителю Джунгарии хунтайджи Цеван Рабдану были направлены специальные посланники сибирского губернатора с целью разъяснения, чтобы «он, хунтайша, от посланных царским величеством людей никакого опасения не имел.
В июле 1715 г. экспедиция на 32 дощаниках и 27 больших двенадцативёсельных лодках выступила из Тобольска в плоть вверх по Иртышу. В Тару приплыли 24 июля. Здесь отряд получил 1500 лошадей для драгунского полка и часть людей пересела на седло – пошла по берегам Иртыша для предупреждения неожиданных нападений и засад со стороны джунгар на флотилию. В Таре к экспедиции присоединились купцы с 12 дощанками, груженными товарами. Флотилия везла и весь лесной материал, необходимой для строительства крепости. Дощаники представляли собой походный укрепленный дом-склад всего необходимого в пути. Движение флотилий было медленное, дощаники передвигались вверх по реке «волоком», т.е. тянулись при помощи веревок людьми и лошадьми.
К Ямыш-озеру, где велено было заложить первую крепость, отряд прибыл глубокой осенью 1 октября (по старому стилю). По Иртышу уже шла шуга. Проникнуть в Яркенд решено было в следующем году. «На утесистом обрывистом берегу Иртыша, вдающемся мысом в реку» была заложена Ямышевская крепость. Месторасположение для неё выбрали в двух с половиной верстах справа от Иртыша, в месте, откуда вытекал ручей, названный «Пресным». Строительством крепости руководил артиллерийский поручик из пленных шведов Каландер». Крепость состоял из вала, рва с гласисом с барбетами для артиллерии, обнесена рогатками. В плане – три фаса, примкнутые с 4-й стороны к обрыву реки, безопасному от штурма. Вне ярда крепости, окруженные палисадом, и защищённые малым деревянным острогом, размещены 2 больших амбара с «военной поклажей»,дома для офицеров, казармы для солдат и луговой выгон для табуна. За недостатком леса, употребили на стройку несколько дощаников. С 29 (Х по 10) ХІ, в 13 дней вал был закончен» [29, с.16].
Достигнуть «Экрети» и найти там золотое руно сибирским аргонавтам однако не удалось. Движение венного отряда вверх по Иртышу в направлении к Джугарии встревожило ойратских тайджей. Правитель Джунгарии Цеван Рабдан, получив сведения о намерении отряда продолжить свой поход вглубь Джунгарии до Яркенда, отравил против него десятитысячное войско во главе со своим двоюродным братом Цэрэн – Дондобом. Удел Цэрэн – Дондоба находился по реке Имелю до озера Нор – Зайсан, т.е. как раз на линии дальнейшего пути экспедиции.
В ночь на 9 февраля 1716 г. «когда случилось жестокая стужа», джунгары, сняв караулы, отогнав всех лошадей экспедиции, пошли на штурм Ямышевской крепости. Им удалось захватить и часть продовольствия отряда. Крепость не была занята войсками и пушками. Там находилась лишь церковная палатка. «Пехота наша построилась на лугу у реки Преснухи, в нескольких стах саженях от неё стали драгуны, а пушки остались на своём артиллерийском дворе. Они открыли огонь по калмыкам, штурмовавшим пустую крепость. Затем пехота выгнала их оттуда. Труднее было выгнать их из наших амбаров, быстро приспособленных калмыками к обороне. Они прорубили в их стенах дыры, устроили впереди завалы из кулей и тюков с провиантом и поместили за ними своих стрелков. До самого вечера мы не могли выбить их из этой выгодной позиции. Однако бомбы, удачно брошенные, подготовили атаку и калмыки были опрокинуты» [29, с.16]. Таким образом ,внезапное нападение джунгар успеха не имело, после 12-часового боя атака была отбита. Тогда Цэрэн – Дондоб прислал И.Д. Бухгольцу ультиматум с требованием оставить крепость, обещая возможность безопасного отхода. Получив отказ, джунгары обложили крепость и решили держать её в осаде до тех пор, пока у осажденных не кончатся запасы пищи и они сами будут вынуждены оставить её. 21 февраля Цэрэн – Дондоб вновь предлагает И. Д. Бухгольцу удалиться, угрожая в противном случае принудить экспедицию к тому «голодом и силою». Бухгольц же, помнивший наказ государя Петра 1 и инструкцию князя Гагарина быть твердым в достижении своих целей, подчёркивая свою решимость не покидать крепости, отвечал, что «нарушать мира не намерен и крепость построил повелению государя на такой земле, которая Джунгарии не принадлежала, угроз же не боится, и при достаточных запасах, дождавшись помощи, посмотрит как будет Цэрэн – Дондоб препятствовать воле государевой», причём советовал джунгарам отступить, считая это единственным условием для сохранения мира. 27 февраля царь Пётр І и губернатор М. П. Гагарин направил джунгарскому хунтайдже грамоту, в которой опровергалась принадлежность к Джунгарии некоторых пограничных земель.
Три месяца длилась осада. В крепости люди голодали, недостаток лекарств и провольствия вызвал повальные болезни, от которых, как Бухгольц позднее писал князю Меншикову» в сутки человек по 20 и больше умирало». Особенно валила людей страшная незнакомая болезнь, впоследствии названная «сибирской язвой». За зиму умерло свыше 2000 человек. Осажденная крепость превращалась в кладбище, но отряд продолжал отбиваться, ожидая помощи из вне. Ожидаемое подкрепление, которое обещал царь через сибирского губернатора, так и не прибыло. Ещё в декабре 1715 г. И. Д. Бухгольц послал Петру І донесение о положении дел и о трудностях, с которыми он столкнулся. Его донесение царь получил в Копенгагене, откуда 4 февраля 1716 г. отправил ответ, свидетельствующий о том, какое значение он придавал этой экспедиции: «Губернатору князю Гагарину, при отпуске вашем дан о том о всём полный указ… ему велено нарочно до тех дел к вам съездить и о всём подлинно определить, о чём и ныне к нему с подтверждением писали. С корабля «Ингерманландия» от Копенгагена» [21, с.126-138].
Для улаживания конфликта князь М.П.Гагарин в феврале 1716 г. направляет к Цеван Рабдану сотника В. Чередова. Но джунгарский хунтайджи и слышать не хотел приёме русского посла и держал его у себя под стражей. Единственный транспорт с продовольствием и 20 тыс. руб. казённых денег для жалования войску, направленный из Тобольска осажденным, был перехвачен джунгарами в 52 верстах от Ямышевской крепости. Других попыток помочь осажденным сибирский губернатор не предпринимал. Князь Гагарин мало беспокоился о людях, посланных по его инициативе в дальние прииртышские степи, хотя государь из Копенгагена приказал ему «всемерно пещись об успехе предприятия»
Транспорт, состоявший из военного конвоя (один капитан, один поручик и некоторое число солдат), шведских военнопленных, пожелавших принять участие в экспедиции Бухгольца и группы купцов с товарами из городов Тобольска, Тары и Томска, всего около 700 человек, был окружен джунгарами на Коряковском яру при Иртыше и после упорного сопротивления, продолжавшегося целый день, взят в плен.
Вторично попал в неволю штык юнкер шведской артиллерии Иоганн Густав Ренат, взятый ранее в плен под Полтавой. Впоследствии он организовал в Джунгарии производство пушек и мортир, вместе с другим шведским пленным поручиком Дебешем наладил суконное производство. Ренат научил также джунгар искусству книгопечатания и завёл типографию по европейскому образцу. За оказанные джунгарам услуги Ренат в 1733 г. был отпущен на родину в Швецию, где прославился составлением карты джунгарии.
Всего в 1716 г. во время внезапного нападения ойратских войск при Ямышеве и в пути попало в плен 419 человек, погибло и умерло от ран 133 русских война. Изнуренный болезнями и недостатком продовольствия, Бухгольц понял, что его миссия обречена на неудачу, покорился обстоятельствам и решил начать отступление с остатками своего войска. Весной, как только Иртыш освободился от льда, военный совет, созванный Бухгольцем, решил – место оставить, крепость срыть, дома сломать, всё погрузить на 16 оставшихся дощаников. 28 апреля 1716 г. остатки Ямышевского гарнизона, составившего около 700 человек, погрузившись на суда, отплыли по Иртышу, не встретив противодействия со стороны джунгар. Напротив, они даже вернули двух пленных - священника, взятого при штурме крепости, и казначея из ограбленного каравана.
На обратном пути, 20 мая 1716 г. отряд заложил у устья реки Оми на левом её южном берегу Омскую. Комендантом крепости был назначен приехавший из Москвы майор И. Вельяминов – Зернов.
Во время пребывания подполковника И. Д. Бухгольца в Омской крепости раздоры между ним и князем М. П. Гагариным возрастали. В результате Бухгольц «впал в немилость» и 22 сентября уехал в Тобольск, а оттуда был отозван царём в столицу. В январе 1719 г. руководитель «похода в Калмыцкую землю» И. Д. Бухгольц давал отчёт о причинах неудачи возглавляемой им экспедиции перед Сенатом и царем. В ходе разбирательства всех обстоятельств дела он был полностью оправдан с записью в личном деле: «Годится к лучшему делу и в звании полковника назначен комендантом крепости Нарва».