Z Kuby Humboldt wraz z Bonplandem popłynęli do Bogoty, gdzie spotkali się z hiszpańskim przyrodnikiem . Kolejnym etapem wyprawy Humboldta była podróż w Andy, gdzie dogłębnie badał właściwości tamtejszych wulkanów. W 1802 roku wspiął się m.in. na Pichincha, próbował również wejść na Cotopaxi (gdzie dotarł na wysokość 4300 m n.p.m.) i na Antisanę, gdzie udało się mu osiągnąć 5400 m n.p.m. W trakcie badań wulkanu Chimborazo Humboldt osiągnął wysokość 5917 m n.p.m. Podczas wyprawy w Andy Humboldt ustalił przebieg równika magnetycznego Ziemi.
W październiku 1802 Humboldt dotarł do Limy, skąd odbył podróż morską do Guayaquil, w trakcie której badał charakter zimnego prądu morskiego, nazwanego później jego imieniem. Następnie do 1804 r. przebywał w Meksyku, gdzie prowadził badania w tamtejszych archiwach i bibliotekach. W 1804 r. wyruszył do Stanów Zjednoczonych. Tam wielokrotnie uczestniczył w spotkaniach z prezydentem Thomasem Jeffersonem, któremu składał obszerne relacje nt. geografii i ludności Meksyku. Pod koniec czerwca 1804 opuścił Amerykę na pokładzie statku płynącego do Europy.