1647 г. в поисках новых промысловых р-нов организовал морскую экспедицию в устье Анадыри (на севере Берингова моря), в к-рой принял участие С. И. Дежнёв. Они вышли из устья Колымы, но из-за тяжелой ледовой обстановки потерпели неудачу.
В 1648 г. предприняли 2-ю попытку, отправившись на восток на 7 кочах. Экспедиция прошла вдоль морского побережья от устья Колымы в Тихий океан, обогнула Чукотский п-ов, открыв пролив между Азией и Америкой, который через 80 лет вновь был открыт В. Берингом. Во время бури суда Попова и Дежнёва разлучились, коч Дежнёва выбросило в устье Анадыри, а коч Попова прибило к берегам Камчатки, где он разбился. Об этом плавании стало известно лишь во время 2-й Камчатской экспедиции 1733–1743 гг.