Zbadali São Paulo, Minas Gerais, Goiás, Bahię, Pernambuco, Piauí i Maranhao, a następnie popłynęli w górę Amazonki do ujścia Japury, skąd Spix popłynął do granicy Peru i Rio Negro, a von Martius udał się w górę Japury. W marcu 1820 roku botanicy spotkali się ponownie w Manaus i razem wrócili do Belém. Do Monachium powrócili w grudniu 1820 roku.
Podczas czteroletniej wyprawy von Martius i von Spix przemierzyli ok. 10 tys. km. Do Monachium przywieźli bogate zbiory – 6500 gatunków roślin, 350 gatunków ptaków, 85 gatunków ssaków, 130 płazów, 116 ryb, 2700 owadów, 50 pajęczaków i 50 skorupiaków, a także minerały i obiekty entograficzne. Główny zbiór roślin trafił do muzeum w Monachium, a zdublowane okazy do herbariów w Berlinie, Wiedniu, Petersburgu, Londynie, Lejdzie, Genewie i Lipsku. Prywatne herbarium von Martius zakupił w 1870 roku belgijski ogród botaniczny (fr. Jardin Botanique National de Belgique).
W dniu powrotu z Brazylii von Martius i von Spix otrzymali Order Zasługi Korony Bawarskiej. Von Martius został przyjęty do Bawarskiej Akademii Nauk i został mianowany drugim dyrektorem ogrodu botanicznego w Monachium.