Обратный путь занял одиннадцать месяцев. Теперь Ливингстону предстояло проследить течение Замбези вплоть до Индийского океана. В поход отправились в октябре 1855 года. Полноводная Замбези змеилась через лесные чащи, образуя местами укромные заводи, кишащие гиппопотамами и крокодилами. 18 ноября путешественник увидел поразительное зрелище: русло реки вдруг как будто обрывалось, и миллионы тонн воды одной клокочущей массой обрушивались в бездну. Ревущий поток поднимал столбы водяной пыли, и та, клубясь и завихряясь, тучами оседала на окружающие леса. Пять громадных столбов дыма были видны уже издали. Они выглядели будто пожар в степи и сливались с облаками. Это был водопад Виктория — величайшее из творений природы…
Ливингстона сопровождали триста африканских воинов во главе с вождём Чекту, но к водопаду они идти побоялись — африканцы были уверены, что там обитает грозное божество. Местные жители называли водопад Моси-оа-Тунья — «Рокочущий дым». Ливингстон отправился к нему вместе с двумя смельчаками-африканцами — Такеленгой и Макоро. С риском для жизни они подплыли с верхнего бьефа к острову Казеруку (ныне остров Ливингстон), расположенному у самого гребня водопада, откуда путешественник смог заглянуть в зияющую бездну. Ливингстон с восторгом описывает необычные кольцевые радуги над водопадом — одна над другой: «Зрелище настолько прекрасное, что им наверняка восхищались пролетавшие ангелы».
Дальнейший путь вниз по реке привёл Ливингстона к устью её левого притока Лвангвы, за которым начинались места, уже известные европейцам. Экспедиция отказалась от дальнейшего исследования основного русла Замбези, которое уже было нанесено на карту, и 20 мая 1856 года северным рукавом вышла к Индийскому океану, закончив путешествие в приморском городке Келимане. Впервые в истории европейский исследователь пересёк Африканский континент!
Вернувшись на родину, Ливингстон в 1857 году издал прославившую его книгу «Путешествия и исследования миссионера в Южной Африке». Королевское Географическое общество наградило его золотой медалью. В мае 1858 года Ливингстон вновь возвращается на Замбези. На небольшом пароходике, доставленном в разобранном виде из Англии, он уходит вверх по реке, открывает Шире — северный приток Замбези. Местные жители говорили, что Шире вытекает из огромного озера, которое даже на быстроходных лодках можно переплыть лишь за полтора дня. Но путь к озеру преградили водопады. Экспедиция вынуждена была повернуть назад.
Через четыре месяца Ливингстон вновь уходит к верховьям реки Шире. Преследуемая москитами, его экспедиция 16 сентября 1859 года выходит к огромному озеру Ньяса: 500 километров в длину, более 50 километров в ширину. Вокруг вставали высокие горные цепи. Вода, грязно-зелёная у самого берега, далее на глубину приобретала густой цвет индиго…
В сентябре 1861 года Ливингстон вновь побывал на озере Ньяса и прошёл на север по его западному берегу. Далеко проникнуть не удалось — помешало враждебное отношение приозёрных жителей. На озере Ньяса и в долине реки Шире свирепствовала работорговля: то и дело попадались разорённые и опустошённые деревни, то тут, то там попадались человеческие скелеты, вниз по реке плыли вздувшиеся трупы.
В январе 1866 года, когда Ливингстон вновь ступил на африканскую землю, он выглядел человеком утомлённым, разочарованным, ищущим уединения. Войдя под полог тропического леса, путешественник… пропал на несколько лет. Никто не знал, что в это время, сопровождаемый многочисленным караваном носильщиков, Ливингстон успел обогнуть озеро Ньяса с юга и запада, а затем, взяв направление на северо-запад, перебраться через крупные реки Лвангву и Чамбеши, разделённые горным кряжем Мучинга. Местные жители рассказали, что Чамбеши вливается в «очень большое озеро». И 1 апреля 1867 года Ливингстон достиг его южного побережья. Это было озеро Танганьика, одно из крупнейших в Африке, протяжённостью около 650 километров. Его лазурную гладь окружали буйные тропические леса, зелень которых резко контрастировала с серыми и красными песчаниковыми скалами. За озером начинались уже совсем неисследованные места.
Весь переход от побережья до Танганьики был полон трудностей и неудач. Достать продовольствие в этой безлюдной местности было невозможно. Часть носильщиков сбежала, захватив с собой экспедиционное имущество, в том числе ящик с медикаментами, что было для путешественника настоящей катастрофой: «У меня было ощущение, что я теперь получил смертельный приговор». Ливингстон страдал от малярии и так ослабел и исхудал, что, по его собственным словам, «превратился в мешок с костями». Большую часть пути его пришлось нести на койке.
8 ноября 1867 года Ливингстон обнаружил озеро Мверу со множеством островов, а 18 июля 1868 года — озеро Бангвеулу. В конце марта 1871 года Ливингстон вышел к реке Луалабе: «Это могучая река, шириной не меньше трёх тысяч ярдов и всюду глубокая. Нигде и ни в какое время года нельзя перейти её вброд… Река течёт здесь на север со скоростью около двух миль в час». Он не представлял себе ясно, к какой системе — Нила или Конго — принадлежит эта большая река. Исследователь установил лишь, что поток движется на север. Повернув обратно к Танганьике, совершенно истощённый Ливингстон достиг селения Уджиджи, и 23 октября 1871 года остановился здесь на отдых.
В Европе Ливингстон уже считался пропавшим без вести. На его поиски было отправлено несколько экспедиций. Одну из них возглавил журналист Генри Стэнли. Отправившись из Занзибара с группой вооружённых белых и двумя сотнями носильщиков, он двинулся на запад к горам Усагара. Прямая дорога на Танганьику оказалась отрезанной из-за восстания африканцев против арабских работорговцев, так что экспедиции пришлось сделать большой крюк к югу. 10 ноября 1871 года Стэнли вошёл в Уджиджи, где встретил измотанного малярией Ливингстона…
Он отказался вернуться вместе со Стэнли в Европу, так как хотел закончить исследование Луалабы. Его крайне интересовал вопрос об истоках Нила. 31 мая 1872 года он записывает в дневнике: «Всё время нахожусь в сомнении и беспокойстве по поводу источников Нила. У меня слишком много оснований испытывать неуверенность. Великая Луалаба… может оказаться рекой Конго, а Нил в конце концов более короткой рекой. Источники текут на север и на юг, и это как будто говорит в пользу того, что Луалаба — Нил, но сильное отклонение к западу говорит в пользу того, что это Конго». И в 1873 году, как только позволили силы, «Ищущий реки» вновь отправляется к Луалабе.
Он шёл вдоль юго-восточного берега Танганьики и вокруг его южной оконечности в страну Касембе. Утомительные походы в дождливое время года окончательно подорвали здоровье путешественника. Его последняя остановка была в селении Читамбо, к югу от озера Бангвеулу. Утром 1 мая 1873 года слуги Ливингстона нашли его мёртвым, лежащим на полу у койки.
