W grudniu 1847 Ferdinand przeprowadził się z dwiema siostrami do Australii. Powodem wyjazdu było zalecenie dla siostry Ferdinanda Berty, aby zmienić klimat na cieplejszy od niemieckiego. Po przyjeździe do miasta Adelaide w Australii Południowej pracował jako farmaceuta, a w wolnym czasie badał lokalną florę. Po nieudanej próbie prowadzenia gospodarstwa rolnego, wysłał wyniki swoich badań The Flora of South Australia (Flora Australii Południowej) do Towarzystwa Linneuszowskiego w Londynie, co przyniosło mu spory rozgłos w środowisku botaników.
Gubernator Charles La Trobe w 1853 mianował Ferdinanda von Muellera rządowym botanikiem stanu Wiktoria. Po objęciu nowej funkcji założył National Herbarium of Victoria w budynku Królewskich Ogrodów Botanicznych w Melbourne. W 1854 został członkiem Victorian Institute for the Advancement of Science i pozostawał nim do 1872. Całkiem dobrze już znany Mueller w lipcu 1855 został botanikiem Australijskiej Ekspedycji Południowo-Zachodniej. Właśnie ta wyprawa, która w ciągu 16 miesięcy przemierzyła blisko 10 tysięcy kilometrów, okazała się największym sukcesem Ferdinanda von Muellera w jego karierze. Podczas ekspedycji opisał prawie 2 tysiące gatunków roślin, z czego 800 było wcześniej nieznanych nauce.