Dinh trấn Quảng Nam hay Thanh Chiêm được thiết lập phía bắc sông Sài Giang hay Sài Thị Giang (sông chợ Củi), có vị trí thuận lợi để tàu buôn ra vào tấp nập để buôn bán. Dinh trấn lại cách Hội An có 6 dặm (tức 9 km) nên rất thuận tiện cho việc tiếp xúc giao thương giữa chính quyền với thương nhân nước ngoài đến trao đổi, mua bán. Dinh trấn Thanh Chiêm đóng vai trò là kinh đô thứ hai ở Đàng Trong, ngoài kinh đô chính tại Thuận Hoá. Dinh trấn Quảng Nam có vai trò quan trọng về chính trị, hành chính cũng như quân sự để bảo vệ và bàn đạp để mở mang đất nước về phía Nam nói chung và "vùng đất phên dậu" Quảng Nam nói riêng.

Bắt đầu từ khi Đoan quận công Nguyễn Hoàng vào Nam làm trấn thủ Thuận Hóa kiêm quản cả Quảng Nam đến khi qua đời vào năm 1613, ở giai đoạn này, nhu cầu chiếm lĩnh các quần đảo giữa Biển Đông đặt ra gay gắt và bức thiết. Trong giai đoạn lịch sử này, Chúa Tiên Nguyễn Hoàng đã sớm chăm lo xây dựng các đội thuyền, mở cửa buôn bán với nước ngoài để phát huy sức mạnh trong nước và chuẩn bị những buớc đi đầu tiên cho việc chiếm lĩnh các quần đảo giữa Biển Đông. Tuy nhiên, vị chúa Nguyễn và dinh trấn nào là người đầu tiên và nơi đầu tiên thành lập hải đội Hoàng Sa? Nghiên cứu vấn đề này cho thấy công việc thực thi chủ quyền ở khu vực hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa chỉ thật sự bắt đầu khi Chúa Sãi Nguyễn Phúc Nguyên lên nắm quyền, giữ chức Tổng trấn Quảng Nam đóng ở Thanh Chiêm, Điện Bàn vào từ năm 1602 đến năm 1613 là thời kỳ mà các sự kiện có liên quan đến hoạt động của đội Hoàng Sa. Điều này cho thấy hải đội Hoàng Sa xuất hiện lần đầu tiên vào thời thời kỳ chúa Nguyễn Phúc Nguyên khi ông làm Trấn thủ Quảng Nam đóng ở Thanh Chiêm và cũng từ dinh trấn Thanh Chiêm, Điện Bàn, nơi có vị trí đặc biệt về địa chính trị, kinh tế, văn hóa, ông đã có tầm nhìn xa hướng ra Biển Đông, tại dinh trấn Quảng Nam, ông chính là người đầu tiên đặt ra đội Hoàng Sa đặc trách công việc khai thác và bảo vệ Biển Đông.

Cuốn sách ghi chép khá đầy đủ và cụ thể về các đội Hoàng Sa, Bắc Hải là Phủ biên tạp lục của nhà bác học Lê Quý Đôn viết vào năm 1776, trên cơ sở sưu tầm, tập hợp tư liệu, ghi chép thực tế khi ông làm Hiệp trấn xứ Thuận Hóa, Quảng Nam. Sách chép: “Phủ Quảng Ngãi ở ngoài cửa biển xã An Vĩnh huyện Bình Sơn có núi gọi là Cù Lao Ré...; phía ngoài nữa lại có đảo Đại Trường Sa, trước kia có nhiều hải vật và những hóa vật của tàu, lập đội Hoàng Sa để lấy, đi 3 ngày 3 đêm thì mới đến là chỗ gần xứ Bắc Hải...ở đây tha hồ bắt chim bắt cá mà ăn. Lấy được hóa vật của tàu, như là gươm, ngựa, hoa bạc, tiền bạc, hòn bạc, đồ đồng, khối thiếc, khối chì, súng, ngà voi, sáp ong, đồ sứ, đồ chiên, cùng là kiếm lượm vỏ đồi mồi, vỏ hải ba, hải sâm, hột ốc vân rất nhiều. Đến kỳ tháng 8 thì về, vào cửa Eo, đến thành Phú Xuân để nộp, cân và định hạng xong, mới cho đem bán riêng các thứ ốc vân, hải ba, hải sâm, rồi lĩnh bằng trở về...”. Qua  hệ thống các tư liệu xác thực, Lê Quý Đôn đã giới thiệu tương đối đầy đủ vị trí, đặc điểm tự nhiên của Hoàng Sa, Trường Sa, cũng như cơ cấu tổ chức, chức năng và hoạt động của hải đội Hoàng Sa, Bắc Hải. Sau này, bộ sách Đại Việt sử ký tục biên (1676-1789) là bộ chính sử do Quốc sử viện thời Lê Trịnh tổ chức biên soạn, nối tiếp vào quyển XIX sách Đại Việt sử ký toàn thư trong đó đoạn ghi chép về Hoàng Sa, Trường Sa trên căn bản không khác ghi chép của Lê Quý Đôn. Toàn tập An Nam lộ của của Đỗ Bá Công Đạo, người xã Bích Triều, huyện Thanh Chương, tỉnh Nghệ An soạn năm Chính Hoà thứ 7 (1686), là tài liệu ghi chép đầu tiên liên quan đến đội Hoàng Sa được đề cập đến trong phần bản đồ phủ Thăng Hoa và phủ Quảng Ngãi, phía ngoài biển có vẽ Bãi Cát Vàng và ghi chú rõ: “Bãi cát vàng dài tới 400 dặm, rộng 20 dặm. Mỗi năm đến tháng cuối đông [chúa Nguyễn] đưa 18 chiếc thuyền đến đó [Bãi Cát Vàng] nhặt hàng hóa, được phần nhiều là vàng bạc, tiền tệ, súng đạn”. Khoảng một thập kỷ sau, vị Hoà thượng người Trung Quốc nổi tiếng trụ trì ở chùa Trường Thọ, tỉnh Quảng Đông là Thích Đại Sán sang Đàng Trong trên đường về nước đã mô tả khá chi tiết về bãi cát Vạn Lý Trường Sa và cho biết: “Các Quốc vương thời trước [tức chúa Nguyễn Phúc Nguyên] hàng năm sai thuyền đánh cá đi dọc theo các bãi cát, lượm vàng bạc khí cụ của các thuyền hư hỏng dạt vào”. Năm 1701, nghĩa là chỉ 15 năm sau bản đồ Đỗ Bá và 4 – 5 năm sau Hải ngoại ký sự của Thích Đại Sán, các giáo sĩ người Pháp trên tầu Amphitrite khẳng định: “Paracel là một quần đảo thuộc về vương quốc An Nam”. Tiếp đến, Đại Nam thực lục tiền biên là phần đầu bộ chính sử của triều Nguyễn được khởi soạn năm 1821, hoàn thành và khắc in năm 1844, cũng đã mô tả Vạn Lý Trường Sa và các đội Hoàng Sa, Bắc Hải được tổ chức từ thời “quốc sơ”, tức là từ thời chúa Nguyễn Phúc Nguyên ở Dinh trấn Thanh Chiêm vào thế kỷ XVII. Tại nhà thờ họ Võ, phường An Vĩnh (thôn Tây xã Lý Vĩnh, huyện Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi) còn giữ được tờ đơn đề ngày 15 tháng Giêng năm Cảnh Hưng thứ 36 (1775) do Hà Liễu là Cai hợp phường Cù Lao Ré, xã An Vĩnh đứng tên xin chấn chỉnh lại đội Hoàng Sa. Đơn viết: “Nguyên xã chúng tôi xưa có hai đội Hoàng Sa và Quế Hương. Vào năm Tân Mùi (1631), Đốc chiến là Võ Hệ đã đệ đơn xin tâu được lập hai đội nữa là đội Đại Mạo Hải Ba và đội Quế Hương Hàm với số đinh 30 người...”.

Đối chiếu tư liệu này với nguồn tư liệu phương Tây đương đại, có thể thấy những thông tin để xác định thời điểm ra đời của đội Hoàng Sa. Đó là, vào năm 1633, phái bộ thương gia Hà Lan do Paulus Traudenius dẫn đầu đã đến vịnh Đà Nẵng và đến 1636, người Hà Lan đã được phép mở một thương điếm ở Faifoo (Hội An), dưới quyền điều hành của Abraham Duijcker. Ngày 6 tháng 3, hai tàu Hà Lan là Warmont và Grol đi từ Nhật Bản đã đến Đà Nẵng, được chính quyền Đàng Trong tiếp đón. Tại Dinh trấn Thanh Chiêm, chúa Nguyễn Phúc Lan cũng đã tiếp Duijcker. Trong cuộc tiến kiến này “Duijcker đã chuyển đến Chúa một điều khiếu nại. Đó là việc chiếc tàu mang tên Grootenbroeck đã bị đắm ở ngoài khơi bãi cát Paracels, đoàn thủy thủ đã được các người Việt xứ Đàng Trong cứu giúp, nhưng đồng thời cũng lấy đi tổng số món tiền là 25.580 réaux, vậy viên trưởng điếm Duijcker có nhiệm vụ xin được bồi hoàn món tiền đó. Ông ta được trả lời rằng những việc đó đã được xảy ra từ thời chúa trước (tức chúa Nguyễn Phúc Nguyên), không nên đề cập đến nữa, ngược lại, người Hà Lan từ nay sẽ được hoàn toàn tự do mang hàng hóa đến buôn bán, được miễn thuế, vả lại, sau này nếu có tàu Hà Lan mà bị đắm ở ngoài thì sẽ không có chuyện tịch thu hàng hóa được cứu hộ nữa”.

Tư liệu chung quanh vụ đắm tàu Grootenbroeck ở Hoàng Sa năm 1634 xác nhận vai trò của những đoàn người Việt xứ Đàng Trong ở quần đảo Hoàng Sa làm công tác cứu hộ, rồi đưa các nạn nhân về vùng Quảng Nam. Họ thường xuyên đi thuyền ra Hoàng Sa kiểm soát vùng biển đảo và lực lượng người Việt xứ Đàng Trong cứu tầu Grootenbreock tại Hoàng Sa năm 1634 chính là những người của đội Hoàng Sa đảo Lý Sơn được thành lập trước năm Tân Mùi, 1631. Ngoài ra, cuốn sách ghi chép tương đối đầy đủ và cụ thể về đội Hoàng Sa là Phủ biên tạp lục của Lê Quý Đôn được viết vào năm 1776, có ghi rằng: “Phủ Quảng Ngãi ở ngoài cửa biển xã An Vĩnh huyền Bình Sơn có núi gọi là Cù Lao Ré, rộng hơn 30 dặm, trước có phường Tứ Chính, dân cư trồng đậu, ra biển 4 canh thì đến; phía ngoài nữa lại có đảo Đại Trường Sa, trước kia có nhiều hải vật và những hóa vật của tàu, lập đội Hoàng Sa để đi lấy, đi 3 ngày 3 đêm thì mới đến, là chỗ gần xứ Bắc Hải”. Và, “Trước họ Nguyễn đặt đội Hoàng Sa 70 suất, lấy người xã An Vĩnh sung vào cắt phiên, mỗi năm cứ tháng 2 nhận giấy sai đi, mang lương đủ ăn 6 tháng, đi bằng 5 chiến thuyền câu nhỏ, ra biển 3 ngày 3 đêm thì đến đảo ấy”. Địa điểm xuất phát cho đội Hoàng Sa tiến ra biển khơi có thể ở cả cù lao Ré và cửa biển Sa Kỳ, nhưng cửa biển Sa Kỳ là bến chính thức theo quy định của chính quyền Đàng Trong thuộc Dinh trấn Thanh Chiêm, Quảng Nam quản lý.

Đối với đội Bắc Hải, sau một thời gian thực hiện, nhận thấy đội Hoàng Sa dù có cố gắng đến mấy thì cũng không thể nào bao quát hết được toàn bộ các vùng biển đảo giữa biển Đông, nên Chúa Sãi Nguyễn Phúc Nguyên đã quyết định lập thêm đội Bắc Hải. Lê Quý Đôn cho biết: “Họ Nguyễn lại đặt đội Bắc Hải, không định bao nhiêu suất, hoặc người thôn Tứ Chính ở Bình Thuận, hoặc người xã Cảnh Dương, ai tình nguyện đi thì cấp giấy sai đi, miễn cho tiền sưu cùng các tiền tuần đò, cho đi thuyền câu nhỏ ra các xứ Bắc Hải, cù lao Côn Lôn và các đảo ở Hà Tiên, tìm lượm vật của tàu và các thứ đồi mồi, hải ba, bào ngư, hải sâm, cũng sai Cai đội Hoàng Sa kiêm quản. Chẳng qua là lấy các thứ hải vật, còn vàng bạc của quý ít khi lấy được”. Địa bàn hoạt động tương đương với khu vực quần đảo Trường Sa, tuy hoạt động độc lập nhưng về nguyên tắc đội Bắc Hải vẫn do đội Hoàng Sa kiêm quản.