Au cours de quatre étés, une "commission des dragages sous-marins" entreprend des travaux à bord de bâtiments de la Marine nationale française : le Travailleur, en 1880, 1881 et 1882, puis le Talisman, en 1883, jusqu’à la mer des Sargasses. Peu après la dernière campagne, une exposition organisée au Muséum pour présenter les résultats obtient un immense succès. L’intérêt que prend le Prince Albert à cette exposition, les encouragements que lui prodigue le professeur Alphonse Milne-Edwards, chef de ces missions, entraînent sa décision. Il va se consacrer à l’océanographie, animé par son expérience de marin et son attrait pour la science.

Les campagnes océanographiques

Dès l’été de 1884, il décide de faire des récoltes en surface au cours du trajet de Lorient jusqu’à la mer Baltique. Le naufrage de l’Hirondelle survenu entre Danemark et Suède cause la perte d’une partie des échantillons ; de ce fait, la campagne ne sera considérée que comme un essai, un « prélude » aux campagnes océanographiques qui vont se succéder dès l’année suivante.
Les opérations accomplies à bord de l’Hirondelle ont pour objectif l’étude du mouvement des masses d’eaux superficielles dans l’Atlantique Nord, par la mise à l’eau de près de 1700 flotteurs entre 1885 et 1887. En outre, des appareils, de plus en plus nombreux, diversifiés et perfectionnés, permettent la récolte des animaux, depuis la surface jusqu’à des profondeurs proches de 3000 mètres, en particulier dans la région des Açores.
Les activités scientifiques de l’Hirondelle prennent fin en 1888. Ses dimensions deviennent insuffisantes pour une quantité croissante d’engins. L’absence de moteur auxiliaire limite le nombre et la profondeur des opérations souhaitées, quels que soient le dévouement et la robustesse de la quinzaine de matelots embarqués. Par ailleurs, le Prince Albert désire participer activement à l’Exposition universelle de 1889 ainsi qu’à plusieurs des nombreux congrès organisés à Paris à cette occasion. La moitié du Pavillon de Monaco est réservée à la présentation des animaux récoltés et du matériel employé, complétée et illustrée par des photographies, des maquettes, des cartes. L’intérêt ne faiblit pas durant toute la durée de l’Exposition, aussi bien de la part des savants que du grand public.

Le 10 septembre 1889, le Prince Charles III meurt ; son fils unique devient le Prince Albert Ier. Il doit concilier désormais ses responsabilités de Prince Souverain et ses travaux scientifiques auxquels il demeure toujours aussi attaché . Il commande aux chantiers Green de Blackwall près de Londres, un trois-mâts spécialement conçu pour les opérations océanographiques. D’une longueur de 53 mètres et d’un déplacement de 650 tonnes, il est équipé d’une machine auxiliaire d’une puissance de 350 chevaux. Selon une démarche qui lui est coutumière, le Prince tient à ce que les progrès les plus récents de la technique y soient appliqués : éclairage électrique, distillateur d’eau de mer, chambres froides, machine à sonder mue par la vapeur. Les trois laboratoires sont équipés de tables à roulis, de tables éclairantes et disposent d’une distribution d’eau distillée et d’eau de mer. Le navire est lancé le 12 février 1891 et nommé par le Prince Albert Princesse-Alice, en l’honneur de sa seconde épouse, la duchesse de Richelieu née Alice Heine. Sept campagnes sont effectuées avec ce yacht de 1891 à 1897, en Méditerranée mais surtout dans l’Atlantique tempéré près des Açores.

Le harponnage d’un cachalot par des baleiniers de cet archipel, en juillet 1895, permet au Prince de recueillir des fragments de Céphalopodes jusque-là inconnus, ingurgités peu auparavant par le Cétacé. Ces circonstances conduisent le Prince à s’équiper pour la chasse aux Mammifères marins ; il devient ainsi possible d’en étudier l’anatomie, la parasitologie et, par l’examen de leurs contenus stomacaux, d’obtenir des animaux trop rapides pour être rapportés par les filets et autres engins habituels.

Pour mener à bien des recherches de plus en plus diversifiées, à des profondeurs toujours accrues, le Prince Albert commande un nouveau yacht aux chantiers Laird de Birkenhead près de Liverpool. D’une longueur de 73 mètres et d’un déplacement de 1400 tonnes, sa machine d’une puissance de 1000 chevaux lui permet d’atteindre une vitesse de 13 nœuds. Lancé le 27 novembre 1897, il reçoit le même nom que le précédent yacht : Princesse-Alice. Construction, aménagement et équipement sont réussis en tous points et permettent douze campagnes extrêmement fructueuses, entre 1898 et 1910. Quatre d’entre elles se déroulent jusqu’au Spitzberg. Durant l’été 1901 ont lieu les opérations les plus méridionales accomplies par le Prince, à mi-distance des îles du Cap-Vert et de l’Équateur. La station la plus profonde est effectuée par 6035 mètres de profondeur et permet la capture d’un Poisson et de plusieurs Invertébrés. Parmi les scientifiques embarqués figurent deux physiologistes français, Charles Richet et Paul Portier ; ils commencent alors les expériences qui les conduiront, quelques mois plus tard, à la découverte du phénomène de l’anaphylaxie, clé des réactions allergiques.
Les navigations lointaines et parfois difficiles de la seconde Princesse-Alice obligent, une fois encore, le Prince à commander un nouveau yacht aux Forges et chantiers de la Méditerranée, à La Seyne près de Toulon. Encore plus grand (82 mètres de longueur et 1600 tonnes de déplacement), encore plus puissant (deux machines de 2200 chevaux), le navire est équipé de deux hélices et doté de la télégraphie sans fil. Lancé le 6 février 1911, il reçoit le nom de la petite goélette des débuts : Hirondelle. La première Guerre mondiale met un terme à ses activités scientifiques, après cinq campagnes seulement.