1852年12月,利文斯通離開庫汝曼,1853年5月抵達利尼揚蒂(Linyanti)。1853年11月11日利文斯通在當地人的陪伴下往西北探險,探險的路途困難重重,途中不但有強大好戰的部落,還有瘧疾、痢疾、昏睡病等致命疾病肆虐,探險隊最後終於在高燒、半饑餓、痢疾的情況下於1854年5月31日抵達葡屬西非的首都羅安達(São Paulo de Loanda)。1854年9月24日他又隨探險隊東行,在沿尚比西河下遊的過程中發現維多利亞瀑布,1856年5月20日抵達葡屬東非的克利馬內(Quelimane)。利文斯通以一年八個月時間橫跨整個大陸、從大西洋到印度洋,在當時是一項空前紀錄。1856年12月9日,在闊別16年後,利文斯通終於回到英國,並且受到英雄式歡迎。在利文斯通踏上非洲前,歐洲人對於從喀拉哈裏到撒哈拉之間的非洲地圖幾乎是一片空白,利文斯通的探險打開了“黑暗大陸”、帶來豐富而準確的資料。
《Missionary Travels and Researches in South Africa》 (1857),扉頁上的昆蟲便是采采蠅。
1857年利文斯通將他的經曆出版成書《Missionary Travels and Researches in South Africa》,這本書一出版便造成轟動,並翻譯成為多種語言,啟發許多歐洲人對非洲的興趣。利文斯通認為他對地理探險比傳教有更大的使命感,因此他在1857年退出倫敦會。1858年2月,在皇家地理學會的推薦下,利文斯通被任命為英國駐東非克利馬內領事。
遠征讚比西河
在英國政府的資助下,1858年3月10日利文斯通從利物浦搭乘HMS Pearl出發,開始尚比西河遠征,5月14日抵達尚比西河河口。探險隊成員包括醫生John Kirk與利文斯通的弟弟Charles,他們搭乘蒸汽船Ma-Robert進入,9月8日抵達太特(Tete),並進入支流希雷河(Shiré),1859年9月16日發現尼亞薩湖(Nyassa)。利文斯通記述尼亞薩湖周邊地區不像非洲其它部落,這裏人口與農耕密集、種植多種作物,幾乎每個村子都有自己的精煉場、木炭燒製跟鐵工廠,他們的斧、矛、箭頭、針、手鐲、踝環等雖然不是出自最好的工藝,不過顯然也要相當技術;這裏也製造多種陶器和瓦器,頗有成為高度文明社會的潛力。1862年1月探險隊回到尚比西河河口,在這裏利文斯通與夫人會合,然而利文斯通夫人在4月27日由於瘧疾病逝,對利文斯通造成重大打擊。利文斯通對於奴隸貿易的幹涉觸怒了葡萄牙當局。1863年利文斯通接到Earl Russell的信要終止探險。1864年4月利文斯通抵達桑給巴爾(Zanzibar),7月23日回到英國。尚比西河遠征跟利文斯通的其它探險比較起來沒有什麽重大發現,經常被當時的報紙視為一次失敗,造成利文斯通此後募得探險經費的困難。利文斯通將這次探險經曆收錄於《Narrative of an Expedition to the Zambesi and its Tributaries》,於1865年出版。
1873年5月4日的早晨,在讚比亞班韋烏盧湖的南岸,人們發現利文斯通跪著禱告時過世了。他死於痢疾所造成的內出血和瘧疾。利文斯通的仆人認為他們的主人的心應該永遠留在非洲,他們將利文斯通的心髒挖出埋在附近的一棵樹下,用能力所及最好的方法保存遺體,然後二位忠心的仆人朱瑪和蘇西(Chuma & Susi)跋涉千裏將他的遺體運出,經過九個月終至桑給巴爾;最後送返英國,1874年4月18日利文斯通的遺體葬於倫敦西敏寺。在維多利亞瀑布旁的紀念像下寫著:“基督教、通商、文明”(Christianity, Commerce and Civilization)。他最後七年的日誌被整理在《The Last Journals of David Livingstone in Central Africa》,於1874年出版。