Etelä-Afrikassa, Livingstone matkusti pohjois-Kalaharin Autiomaahan. Hän tutki 15 vuoden ajan suuria osia Keski-ja Etelä-Afrikasta. Hän kartoitti monia alueita. Hän pyrki myös tuomaan afrikkalaisille kansoille käsityksensä kristinuskosta, kaupankäynnistä ja modernisaatiosta. Hän halusi erityisesti lopettaa orjakaupan Afrikassa.

Livingstone tutki monia alueita, joita ulkopuoliset eivät olleet koskaan nähneet. Vuonna 1849 hän tuli järven Ngami, mitä on nyt Botswana., Vuonna 1854 hän matkusti länteen, aina Luandaan (nykyiseen Angolaan) Atlantin valtamerelle. Palattuaan Afrikan sisämaahan Livingstone matkasi itään Zambezi-jokea pitkin. Vuonna 1855 hän saapui henkeäsalpaavaan vesiputoukseen. Hän nimesi sen Victoria Fallsiksi kuningatar Victorian mukaan. Hän saavutti Intian valtameren vuonna 1856.

Livingstone lähti sitten kotimaahan Isoon-Britanniaan. Britit näkivät hänet sankarina. Vuonna 1857 hän julkaisi ensimmäisen kirjansa ”Missionary Travels and Researches in South Africa”. Seuraavana vuonna Livingstone palasi Afrikkaan. Hän matkusti pitkin Zambezia ja itärannikkoa., Toisensa jälkeen lyhyt vierailu Britanniassa, hän tutki keski-Afrikassa edelleen 1860-luvulla.

Vuoteen 1871 kukaan ei ollut kuullut Livingstone useita vuosia. Etsintäpartiot lähetettiin etsimään häntä. Syksyllä 1871 tutkimusmatkailija ja toimittaja Henry Morton Stanley löysi Livingstonen Tanganjikajärven läheltä. Stanley tervehti häntä nyt kuuluisilla sanoilla: ”tohtori Livingstone, oletan?”