Wyprawa do Brazylii thumb|240px|right|Trasa wyprawy do Brazylii, 1817–1820 W 1817 roku von Martius razem z Johannem Baptistem von Spixem (1781–1826) został wysłany przez Bawarską Akademię Nauk na wyprawę do Brazylii. Za sprawą Maksymiliana I. bawarscy uczeni zostali zaproszeni do wyjazdu przez stronę austriacką, która organizowała wyjazd do Brazylii arcyksiężnej Marii Leopoldyny (1797–1826) – świeżo poślubionej małżonki późniejszego cesarza Brazylii Piotra II (1825–1891). Na statkach do Brazylii znajdowali się również uczeni austriaccy – botanik i entomolog Johann Christian Mikan (1769–1844), botanik Johann Baptist Emanuel Pohl (1782–1834), zoolog Johann Natterer (1787–1843), a także pejzażysta Thomas Ender (1793–1875) i nadworny ogrodnik Heinrich Schott (1759–1819).
Bawarscy botanicy mieli zbadać wszystkie główne prowincje kraju, zebrać okazy roślin i zwierząt oraz zbadać ich występowanie, warunki życia i zastosowanie, poczynić pomiary i sporządzić mapy odwiedzanych terenów, zgromadzić informacje na temat kultury i języka Indian. Po przybyciu do Brazylii przez pięć miesięcy pozostawali w stolicy, a potem odłączyli się od uczonych austriackich i udali na objazd prowincji.