Очутившись в 1889 г. на острове Сахалин, где ему предстояло пробыть 10 лет, Штернберг посвятил себя этнографическим и лингвистическим исследованиям. В течение семи лет он предпринял ряд путешествий по Сахалину и Приамурскому краю, изучая первобытные племена (гиляков, айнов, ороков, орочей, ольчей, гольдов), производя попутно археологические изыскания и собирая коллекции. Особенно важные материалы собраны им по быту, религии, языку и фольклору гиляков; язык последних им впервые научно исследован в фонетическом и грамматическом отношениях. Большая часть коллекций этнографических и археологических досталась сахалинскому музею. В 1893 г. Штернберг сделал сообщение о гиляках в московском Обществе любителей естествознания, у которых им открыты были важные для истории первобытной семьи и рода своеобразные формы группового брака и родственная номенклатура, однородные формы найдены им и у тунгусских народностей (орочи, ороки, гольды).