El 11 de noviembre de 1579 partieron del puerto del Callao las naves Nuestra Señora de la Esperanza y San Francisco. Al mando de la primera y de la expedición en su conjunto, iba Pedro Sarmiento de Gamboa y a cargo de la segunda nave Juan de Villalobos.

El 21 de enero de 1580, ambos barcos se separaron debido a una fuerte tormenta, para no volver a encontrarse. La San Francisco fue arrastrada hasta el paralelo 56°, desde ahí puso rumbo norte y llegó a mediados de febrero al puerto de Valdivia.

La nave de Pedro Sarmiento de Gamboa, en medio de la tormenta ingresó ese mismo día al estrecho de Magallanes, al cual llamaron Estrecho de la Madre de Dios y al día siguiente llegaron a un puerto que llamaron Misericordia en la isla Desolación. En este lugar se llevó a cabo la primera toma de posesión del estrecho realizado por esta expedición.

Finalmente, el 24 de febrero de 1580 tras 34 días de navegación desembocaron en el estrecho de Magallanes, concluyendo de esta manera el segundo viaje al Estrecho de occidente a oriente.

Cuatro años más tarde, el 5 de febrero de 1584, Gamboa desembarcó con 300 hombres en la orilla nororiental del estrecho y fundó el primer fuerte en el territorio magallánico que llamó Nombre de Jesús. El 25 de marzo fundó el fuerte Rey Don Felipe en la costa oriental de la actual península de Brunswick. Hacia 1587 era tal el estado de abandono, desolación y muerte en que se encontraban ambos emplazamientos, que el pirata inglés Thomas Cavendish denominó a Rey Don Felipe, Port Famine o Puerto del Hambre.

El diario de viaje de Pedro Sarmiento de Gamboa, Relación i derrotero del viage i descubrimiento del estrecho de la Madre de Dios, antes llamado de Magallanes, fue publicado en 1768 por Bernardo de Iriarte bajo el título de Viage al Estrecho de Magallanes por el Capitán Pedro Sarmiento de Gamboa.