Путешествие началось в мае 1852 г. Сначала Ливингстон прибыл в главное селение страны макалоло Линьяти. Здесь его с радостью встретил вождь Секелету, чей недавно умерший отец Себитуане считал путешественника своим другом. Секелету, увлекшись идеей наладить торговлю с другими племенами на востоке, дал Ливингстону для сопровождения 27 человек, быков, продовольствие и груз слоновой кости для продажи в Анголе. Отряд располагал тремя мушкетами, двустволкой и карабином. Из личных вещей путешественник вез с собой только четыре небольшие оловянные коробки с одеждой, медикаментами, книгами и инструментами для исследований, а также «волшебный фонарь» для того, чтобы иллюстрировать проповеди.
Однажды в пути из-за последнего произошел курьезный случай. Показывая картинку, на которой было изображено жертвоприношение Авраама, Ливингстон случайно сдвинул ее, и сидящей поблизости негритянке показалось, что нож в руке Авраама нацелен на нее. Она вскочила, за ней убежали и остальные слушатели. К счастью, это не стало поводом для недоверия к Ливингстону и его спутникам.
Маленький отряд впервые в истории пересек материк с востока на запад, от р. Замбези до Луанды. Ливингстон открыл и основательно исследовал значительную часть бассейна р. Замбези и большой территории Анголы. Вновь открытые местности он нанес на карту, сделал около 3 тыс. астрономических определений координат, составил ценные описания местной флоры и фауны. В пути путешественника мучили жесточайшие приступы лихорадки, заставляющие его терять сознание, однако он упрямо вел своих людей вперед. Их доверие он оправдал в полной мере.
В конце мая 1854 г. экспедиция прибыла в Луанду – столицу Анголы. Отсюда Ливингстон вполне мог отправиться в Англию, чтобы доставить собранные материалы и повидать семью. Но он не оставил своих спутников, считая себя в ответе за них. Через четыре месяца отряд двинулся в обратном направлении и вторично пересек Африку, на этот раз с запада на восток, продолжая исследовать территории по маршруту следования, и открыл огромный водопад, который местные жители называли «Моси-оа-Тунья» («Гремящий дым»). Путешественник дал ему имя в честь королевы Виктории. Корабль же, на котором ему предлагали вернуться в Европу из Луанды, погиб возле о. Мадейра.
Летом 1856 г. Ливингстон добрался до Келимане, города на восточном побережье Африки неподалеку от устья Замбези. Вскоре он был уже в Англии, где его путешествие вызвало огромный резонанс. Лондонское географическое общество наградило отважного миссионера золотой медалью. Его сделали почетным гражданином Лондона и Глазго. Кроме того, жители Глазго преподнесли ему 2 тыс. фунтов стерлингов. Ливингстон был удостоен ученых степеней многих университетов. Королева Виктория пригласила скромного миссионера на обед. Безусловно, ее очень позабавил рассказ о том, как негры с любопытством расспрашивали Ливингстона, сколько у королевы коров.
Получивший громкую известность путешественник начал готовиться к новой экспедиции, средства на которую были выделены правительством. Теперь целью путешествия стало не только открытие, но и освоение новых земель. По пути Ливингстон должен был организовать целый ряд христианских миссий.
В марте 1858 г. Ливингстон на корабле «Перл» покинул Лондон. Вместе с ним ехала и Мэри. В эту экспедицию, организованную под патронатом государства, кроме них, вошли ботаник и врач Керк, геолог Торнтон, инженер Рэ и брат Ливингстона Чарлз, бывший фотографом. В трюме «Перла» они везли в разобранном виде специально построенный пароход. Его назвали «Ма Роберт» («Мать Роберта») в честь Мэри Ливингстон.
Первую часть путешествия вверх по Замбези путешественники проделали на «Перле». Достигнув порогов Кебрабаса и обследовав окрестности, они поняли, что пороги можно преодолеть только в сезон дождей и на судне более мощном, чем «Ма Роберт». Ливингстон послал в Англию заказ на новое судно, а сам направил экспедицию вверх по северному притоку Замбези, Шире. Когда корабль уже не мог двигаться дальше, так как в верховьях река сильно обмелела, отряд покинул «Ма Роберт» и двинулся посуху на север. Вскоре открыли оз. Чилва, а позже – оз. Ньяса.
В начале 1861 г. прибыли два новых парохода – «Пайонир» и «Леди Ньяса». На них Ливингстон и его спутники, к тому времени преодолевшие на пирогах пороги Кебрабаса, убедились, что Замбези в этих местах непригодна для судоходства, поэтому отправились исследовать р. Рувума.
Успехи экспедиции были значительны. Но силы таяли, люди болели лихорадкой. 27 апреля 1862 г. умерла Мэри. Безутешный Ливингстон похоронил ее под баобабом, но экспедицию продолжил.
Наблюдая за деятельностью работорговцев, путешественник убедился в том, что торговля рабами выгодна только тогда, когда караваны рабов движутся с какими-нибудь грузами для торговли. Он пришел к выводу, что с этим ужасным явлением можно будет покончить в том случае, если по судоходным участкам исследованных им рек пустить пароходы с товарами. Для этой цели на собственные средства Ливингстон заказал в Англии пароход. Однако в начале февраля 1863 г. Давида отозвали в Англию. Чтобы судно не попало в руки работорговцев, он решил отправиться на нем через океан. В июле 1864 г. путешественник добрался до Бомбея, а оттуда, продав пароход, направился в Лондон.
Дома его поджидали дети. Однако первенца, Роберта, Ливингстон не застал: юноша убежал из дому, чтобы сражаться в американской гражданской войне.
Не успев как следует отдохнуть, Ливингстон взялся решать новую задачу, связанную с системой африканских рек, текущих на север. Чтобы выяснить их взаимосвязь, он в 1866 г. высадился в Занзибаре и изучил оз. Танганьика и лежащую к западу от него область Маниему, открыл р. Луалабу, являющуюся верхним течением р. Конго.
23 октября 1871 г. совершенно истощенный Ливингстон, переболевший лихорадкой и воспалением легких, прибыл в Уджиджи на оз. Таньганьика. Через несколько дней здесь его нашел Г. Стэнли, посланный на поиски путешественника, от которого давно не было никаких вестей.
После совместного путешествия к северной оконечности оз. Танганьика, а оттуда до Унианиембе, в марте 1872 г. они расстались. Ливингстон отправился решать загадку истоков Нила. 25 августа он двинулся к оз. Бангвеулу. Изнурительные переходы во время сезона дождей совсем подорвали силы путешественника. Истово преданные ему слуги Суси и Чума много километров несли своего хозяина и друга. 1 мая 1873 г. он умер в деревне Читамбо на берегу Бангвеулу от лихорадки, дизентерии и крайнего истощения. Почти последними его словами были: «Сколько дней пути отсюда до Луалабы?» Смерть пришла к путешественнику ночью во время молитвы. Возможно, он обращался к Богу со словами, которые незадолго до того записал в дневнике: «Мой Иисус, мой Царь, моя Жизнь, мое Все! Я еще раз посвящаю всего себя Тебе. Прими меня и позволь, о милостивый Отче, завершить свое дело до конца этого года». Этим делом великий шотландец считал разгадку истоков Нила, которые ему так и не суждено было найти.
Негры, сопровождавшие Ливингстона, забальзамировали его тело, а сердце похоронили в жестяной коробке под деревом. Местный вождь пообещал охранять это место. Отряд во главе с Суси и Чумой отправился к побережью, чтобы отправить тело хозяина в Англию. У озера Танганьика им встретился отряд британской экспедиции, искавший Ливингстона. Офицер хотел сжечь тело, но африканцы воспротивились: их господин был великим человеком, значит, и хоронить его нужно было только на родине. Так и несли они его целых полторы тысячи миль в течение 9 месяцев. В конце концов прах Ливингстона, сопровождаемый Суси и Чумой, был доставлен в Лондон и похоронен в Вестминстерском аббатстве.
Исследования Ливингстона совершенно преобразили карту Африки, центр которой до него изображался как сплошное белое пятно. Описания его путешествий содержатся в книгах: «Путешествия по Южной Африке в 1840–1855 гг.» (1857; рус. пер. в 1955); «Путешествия по Замбези» (1865; рус. пер. в 1956); «Последние дневники Давида Ливингстона в Центральной Африке» (1874).