Seuraavana vuonna Lönnrot valmistautui pitkälle keräysmatkalle, jota varten haki ja sai kokonaisen vuoden virkavapauden. Hän jätti Kajaanin 16 p. Syysk. 1836 ja sai Suomussalmella matkatoverikseen ennenmainitun Juhana Fredrik Kajaanin, joka kuitenkin jo Uhtuesta kääntyi takaisin. Kulkunsa hän suunnitti Pistojärven, Tuoppajärven ja Pääjärven ympärillä oleviin kyliin siinä toivossa, että saisi runoja yhä runsaammin, mitä pohjoisemmaksi pääsisi. Mutta todellisuus ei tällä kertaa vastannut hänen toiveitaan. Jo Pistojärvellä loppuivat runot, eikä niitä löytynyt, vaikka hän, vietettyään Kuusamossa Joulun, jatkoi matkaansa Kieretin ja Kantalahden kautta aina Kuolaan saakka. Sieltä hän palasi Paatsjoen, Inarin, Sodankylän, Kuolajärven, Kuusamon sekä Suomussalmen kautta ja saapui kotiinsa Toukokuussa 1837. Tämä retki oli Lönnrot'in vaivaloisimpia sekä harvan asutuksen ja ruuan puutteen että huonojen kulkuneuvojen tähden. Lisäksi sai hän kärsiä asukasten epäluuloisuutta ja oli kerran vaarassa tulla ryöstetyksi. Vaan kaikista vastuksista huolimatta Lönnrot läksi jo alussa Kesäkuuta uudelleen liikkeille, kulki taas Suomussalmen kautta Vuokkiniemen puolelle, mutta kääntyi sieltä etelään päin Kontokin, Luvajärven ja Repolan kautta takaisin rajan yli Pielisjärvelle. Suomen puolella hän sitten kierteli Joensuun, Sortavalan, Kurkijoen ja Ruokolahden kautta Lappeenrantaan sekä palasi Savonlinnan, Kontiolahden ja Nurmeksen tietä Kajaaniin, jonne saapui 20 p. Marrask. 1837. Pitkin matkaa sai hän runsaasti runoja. Vaan monin verroin runsaammin hän olisi saanut, jos olisi osannut poiketa vielä vähäistä etelämmäksi Käkisalmen tienoille ja Inkerinmaalle.
Suureksi osaksi 1836-37 vuoden matkalla kerätyistä lyyrillisistä ja ballaadi-runoista alkoi Lönnrot nyt panna kokoon Kanteletarta. Muutamassa kirjeessä 22 päivältä Toukokuuta 1838 hän ilmoittaa niitä jo puolen vuotta joka päivä järjestelleensä ja muovaelleensa, johon työhön arvelee pari kuukautta lisäksi tarvitsevansa. Mitenkä häneltä siihen kului pari vuottakin, käy selville Kantelettaren ensi kirjan esipuheesta, joka on allekirjoitettu hänen syntymäpäivänänsä, 9 p. Huhtik. 1840. "Sitte siltä matkalta kotiuttua olemma pian heittämättömällä työllä näitä yksiä lauluja ja virsiä präntin alle korjaelleet, sovitelleet ja suunnitelleet, enimmän osan sillä ajalla vähintäki neljä kertaa uudestaan puhtaaksi kirjotelleet. — —Mainittuun niin usiasti uudistettuun puhtaaksi kirjottamiseen on, paitsi muuta, seki syynä ollut, että, kun työmme alla aina tulimma vaillinaisia paikkoja yhdessä eli toisessa kohtaa havatsemaan, syksyillä 1838 ja 1839 niiden tähden uudelleen läksimmä (Suomen) Karjalaan, josta myös kummallakin kertaa saimma paljo lisäyksiä ja toisinnoita ennen koottuhin". Edellisellä kerralla tiedetään Lönnrot'in keränneen runoja erittäin Ilomantsissa, jälkimmäisellä Pielisjärven ympäristössä. Kantelettaren valmistumista viivyttivät vielä Mehiläisen toimittaminen ja ennenmainitun lääkärikirjan painatus.
Samaan aikaan oli Lönnrot valmistellut myös loitsurunojen julkaisua. Vaan kun muilta, yhä karttuvilta töiltänsä ei nähnyt voivansa sitä loppuun saattaa, jätti hän järjestämänsä kokoelman v. 1846 Suomalaisen Kirjallisuuden Seuran haltuun, toiste tulevaisuudessa julkaistavaksi. Ainoa, minkä hän tähän aikaan loitsujen ja taikojen alalta painatti, oli jatkettu ja täydennetty laitos hänen väitöstänsä Om Finnarnes magiska medicin Suomen lääkäriseuran toimitusten ensi osassa 1842.
Paitsi runoja, oli Lönnrot mainitulla matkallansa kerännyt suuret määrät Suomen kansan sananlaskuja sekä arvoituksia ennen koottujen lisäksi, ja niitäkin vähitellen valmistanut painokuntoisiksi. Sananlaskujen laitoksen alkulauseen hän allekirjoitti 23 p. Lokak. 1841 sekä arvoitusten 13 p. Jouluk. 1843; painosta ne tulivat, niinkuin tiedämme, vv. 1842 ja 1844. Molemmat ovat pelkästään aakkoselliseen järjestykseen toimitettuja kokoelmia. Edellinen sisältää 7077, jälkimmäinen 1679 kappaletta toisintoineen ynnä 135 Viron kansan arvoitusta.
Monilla matkustuksillansa halki Suomen oli Lönnrot'illa ollut tilaisuutta tutustua maamme eri murteihin ja hankkia itselleen yleinen suomenkielen tuntemisen taito, jonka vertaista ei kenelläkään hänen aikalaisellaan ollut. Vähitellen hänen huomionsa oli yhä enemmän kiintynyt kielemme tutkimiseen. Vuoden 1836-37 matkalla oli hänellä jo nimenomaisena määränä koota myös aineksia uuteen suomen kielioppiin sekä sanakirjaan. Samalla matkalla oli hän joutunut lapinkielen piiriin ja sillä aloittanut tutkimuksensa suomen sukukielten alalla.
Näiden kielellisten kokoelmain ja tutkimusten avulla, se oli Lönnrot'in ajatus, oli riidan-alainen kirjakielemme perinpohjin selvitettävä, ennen kuin se jälleen vakaantuisi; jollei siitä tullut kerrallaan hyvä, saattoi se joutua vielä kerran käymiseen ja kuohuksiin. Niiden sekä kansanrunoudenjulkaisujensa kautta saikin hän aikaan kirjakielemme uudistuksen. Sillä mikään kirjailija-nero hän ei ollut tämän sanan korkeammassa merkityksessä. Hänen oma kirjoitustapansa oli alussa kovin kokoonsullottua ja kankeata[145] sekä osaksi vielä murteellista; myöhemmin, Kantelettaren esipuheesta alkaen, esiintyy se luonnollisempana ja yksinkertaisempana, vaan aina kuitenkin vähän jäykänpuolisena. Tässä on aivan sama ilmiö kuin Kalevalan yhteenliittämisessä, jonka hän, olematta itse luova runoilija, on suorittanut niin, että sitä tuskin olisi voinut taitavammin, kauniimmin, jalommin kokoonpanna. Kumpaisessakin työssä vaikutti hänessä sama luonnonvaiston kaltainen kansanhenki, joka ylimalkain on luonut kansan kielen ja runouden.
Niin pian kuin oli saanut Kantelettaren käsistänsä, oli Lönnrot jo lähtenyt uudelle, yksin-omaan kielelliselle tutkimusretkelle 16 p. Tammik. 1841. Ilomantsin, Impilahden ja Salmin pitäjien halki oli hän saapunut Aunuksen lääniin, jossa aikoi tutkia n.k. Liygin kieltä, ja Tulemajärven, Veskelyksen sekä Säämjärven kautta päässyt Petroskoille asti, kun hänet rajalla tarkastamatta jääneen passin tähden pakoitettiin samaa tietä kotiin palajamaan. Vasta Lokakuussa pääsi hän jälleen liikkeelle ja kääntyi sillä kertaa Kajaanista pohjoiseen päin: ensin Oulun kautta Kemiin, jossa sai Castrénin matkatoverikseen, sieltä Rovaniemelle, Kemijärvelle ja Kuolajärvelle sekä Inarin kautta Karasjoelle Norjan puolelle. Täällä hän opiskeli Norjan lappia kuuluisan lähetyssaarnaajan Nils Vibe Stockfleth'in johdolla, joka vuoden alussa oli hänen vieraanaan Kajaanissa oleskellut ja häntä seurannut matkalla Ilomantsiin. Sitten hän siirtyi Kuolaan, tarkemmin tutustuakseen myös Venäjän lappiin, ja joutui Kemin kautta viimein Arkangeliin, jossa aikoi ruveta tutkimaan samojeedinkieltä. Vaan huomattuaan, ett'ei siitä kielestä ollut suoranaista apua suomenkielen selvitykselle, jätti hän tämän tutkimuksen Castrén'ille ja palasi itse Kargopol'in sekä Lotinapellon kautta Suomeen, matkan varrella ottaen selkoa ennen tutkimattomasta vepsänkielestä. Kajaaniin hän saapui ummelleen vuoden kuluttua eli keskivaiheilla Lokakuuta 1842.
Perehtyäkseen vielä vironkieleen, matkusti Lönnrot kesällä 1844 Viron-ja Liivinmaalle. Enimmän osan aikaa hän oleskeli Tarton kaupungissa, jossa tutki viroa tunnetun lääkärin ja kielimiehen Friedrich Robert Fählmann'in avulla. Siellä hän myös otti osaa oppineen virolaisen seuran, die Gelehrte Ehstnische Gesellschaft'in, kokouksiin ja keskusteli seuran jäsenten kanssa muun muassa suomen- ja vironkielen oikeinkirjoituksesta. Varsinaisena työnään hänellä oli mainitun seuran virolaisten sanakokoelmien kopioiminen; viron sanastosta hän, näet, toivoi saavansa suomenkieleen alkuperäisiä sanoja ruotsinkielestä lainattujen sijaan. Tämän työn ääressä istui hän uutterasti useita kuukausia aamusta aikaisin myöhään iltaan. Välillä hän matkusteli maaseudulla seitsemän viikon ajan Tarton-puolista kielimurretta tutkimassa. Mutta täällä kansan sorron-alaisen tilan näkeminen vaikutti häneen niin tuskallisesti, että se retki oli hänelle kaikista raskaimpia. Tunteensa valtaamana ei hän koko matkallansa ollut voinut käydä ainoassakaan aateliskartanossa. Itse Tartossa oli hänen samasta syystä vaikea viihtyä. Joll'ei hänellä olisi ollut niin paljon kiireistä työtä, on hän itse lausunut, ett'ei ollut oikein aikaa siihen ajatukseen antautua, niin olisi hän pelkästä mielipahasta sairastunut. Kotimatkalle hän kiiruhti Joulukuussa Pietarin ja Räävelin kautta, viipyen kuitenkin muutamia päiviä Kattilan seurakunnassa Länsi-Inkerissä, jossa muutamalta vanhalta akalta sai muistiinpannuksi vatjankielisiä häärunoja.
Tähän loppuivat Lönnrot'in tieteelliset matkat. Hänen oli tosin vähän aikomus sen kirjeenvaihdon johdosta, johon v. 1845 oli joutunut Jacob Grimm'in kanssa, käväistä Saksanmaalla, tarjotakseen apuaan niille oppineille, jotka halusivat tutustua Suomen kieleen ja kansanrunouteen. Mutta hän luopui pian siitä aikeestansa, koska tunsi, että velvollisuus häntä vaati käyttämään aikaansa työhön, josta oli enemmän suoranaista hyötyä.
Lönnrot oli v. 1844 saanut virkavapautta, jota hänelle sitäkin ennen oli useat kerrat myönnetty, kokonaiseksi viideksi vuodeksi ja oli päättänyt nämät vuodet käyttää pääasiallisesti suomalaisen sanakirjan toimittamiseen. Myös suomen kieliopin kokoonpanemista oli hän ajatellut ja muutamia sitä koskevia kirjoituksia julkaissut Mehiläisessä sekä Suomi-kirjassa, (Bidrag till finska språkets grammatik 1841-42 ja Muukalaisuudesta Suomessa 1844). Mutta nähdessään, ett'ei hänelle mitenkään riittänyt aikaa kaikkia kieliopillisia keräelmiänsä täydellisesti järjestämään, hän tavallisella vaatimattomalla alttiudellaan antoi muistiinpanonsa Kuopion kymnaasin rehtorin Fabian Collan'in[146] käytettäväksi tämän ruotsinkielellä julkaisemaan suomen muoto-oppiin, Finsk språklära I. Formläran, joka tuli painosta v. 1847.