De retour en Nouvelle-France, Champlain remonte le Saint-Laurent pour retrouver ses alliés autochtones, à hauteur des actuels rapides de Lachine, près de Montréal. Leurs renseignements et leur assistance sont essentiels à la poursuite de ses voyages sur le Saint-Laurent et dans l’actuel Ontario. Champlain retrouve ses alliés algonquins (anishinabegs) à hauteur des rapides et leur promet de les aider dans leur guerre contre les Iroquois (Haudenosaunees). En retour, il se voit offrir deux canoës et un guide pour son expédition. Aux rapides, Champlain fait également la rencontre de Nicolas de Vignau, jeune interprète français qui prétend avoir effectué un aller-retour jusqu’à la baie d’Hudson en tout juste 17 jours. Impatient de tester la validité de l’affirmation de Nicolas de Vignau, Champlain quitte Montréal accompagné de quatre Français, dont Vignau, et d’un guide algonquin (anishinabeg) à la fin du mois de mai 1613.

Champlain et son groupe poursuivent leur remontée du Saint-Laurent au-delà des actuels rapides de Lachine, puis traversent le lac des Deux Montagnes pour rejoindre la rivière des Outaouais.

Ils font route vers le nord-ouest en suivant la rivière des Outaouais, où ils rencontrent plusieurs rapides difficiles et dangereux. Parvenus à une étape, ils rencontrent les membres d’une nation algonquine (anishinabeg), qui tentent de dissuader Champlain de poursuivre son périple, vraisemblablement pour protéger leur hégémonie sur les voies navigables de la région et sur le commerce. Mais Champlain est déterminé, et les Algonquins conviennent de lui fournir un guide en échange d’un otage français, après quoi le groupe poursuit son périple.

Ils quittent la rivière des Outaouais au lac des Chats et traversent plusieurs lacs au prix de plusieurs portages particulièrement difficiles. Parvenus au lac Muskrat, ils rencontrent une autre nation algonquine (anishinabeg), avec laquelle ils scellent une alliance, et sont menés à l’actuel lac aux Allumettes, où Champlain retrouve le chef de guerre algonquin (anishinabeg) Tessoüat, qu’il a rencontré pour la toute première fois à Tadoussac en 1603.

Tessoüat accueille Champlain avec une « tabagie » (fête) sur l’île Morrison, mais le chef de tribu est réticent à l’idée de voir Champlain poursuivre son périple jusqu’à l’actuel lac Nipissing pour y nouer une alliance avec les Nipissings, comme le souhaite Champlain. Au cours de cette réunion, Champlain comprend que Vignau a menti au sujet de son prétendu voyage jusqu’à la baie de Hudson. Il est exclu du groupe et Champlain ne le reverra plus. Incapable de poursuivre cette expédition, Champlain prépare son retour à Québec puis en France. Avant son départ prévu à la mi-juin, il érige une croix en cèdre blanc sur l’île aux Allumettes. Il retourne en France à la fin du mois de septembre.

En France, Champlain publie un compte rendu de son périple, intitulé Les voyages du sieur de Champlain Saintongeais, capitaine ordinaire pour le Roi, en la marine. Il œuvre également à la constitution d’un nouveau groupe d’investissement, la Compagnie du Canada ou « Compagnie de Champlain », destiné à garantir le soutien financier à l’exploration et à l’établissement en Nouvelle-France. Conscient du besoin d’évangéliser la nouvelle colonie, Champlain recrute des membres de la congrégation des Récollets en vue d’établir une mission en Nouvelle-France. Il souhaite retourner dans la vallée du Saint-Laurent et prépare son départ de France au printemps 1615.