La primera etapa del viaje tenía como destino la isla de Cuba, pero una epidemia a bordo después de cuarenta días de viaje obliga al Capitán de la nave a dirigirse a Cumaná, en la costa Venezolana, puerto más cercano, donde llegan el 16 de julio de 1799. La epidemia cambió el curso de los acontecimientos, ya que Humboldt fue obligado por esta circunstancia a residir por todo un año en tierra firme, lo que le permitió felizmente explorar y estudiar el Orinoco, el Casiquiare y hasta los límites de las posesiones portuguesas del Río Negro.
Humboltd le dedica a Venezuela una descripción pormenorizada de su naturaleza, estudia el cielo, describe por primera vez la existencia de la lluvia de meteoritos, la flora exuberante del trópico, el vigor de las formas vegetales, la fauna, la diversidad del plumaje de las aves, entre otras. Le dedica especial atención a los temblores, muy frecuentes en Cumaná, que había sido destruida por un terremoto 16 meses antes de su llegada a ésta ciudad. Humboldt, realiza excursiones por los alrededores de Cumaná, recorre el Golfo y la Península de Araya, hace anotaciones sobre los suelos, las salinas, aspectos geológicos, colecciona plantas. Es de resaltar que la primera planta que herboriza en el continente Americano fue la Avicennia tomentosa (Mangle prieto), así mismo colecta la Gonfrena amarilla y los Nopales (tunas) que toleran favorablemente la salinidad.
Estudia la fauna del río Manzanares, abundante en babas o cocodrilos. Fascinados por las bellezas de las costas de Venezuela, deciden adentrarse en el país y casi dos meses después de permanecer en Cumaná y sus alrededores, el 4 de septiembre de 1799, se internan en el Valle de Cumanacoa y llegan a la antigua misión de San Fernando. Pernoctan allí y atraviesan luego las faldas del Turmiquire, hasta llegar al Valle de Caripe. Tuvieron que luchar contra una naturaleza hostil e hicieron el viaje por el Macizo Oriental en mulas o a pie en condiciones laboriosas, si se toma en cuenta que tenían que colectar y estudiar plantas, animales, rocas y otras muestras, además de transportar pesados y delicados instrumentos de medición.
En Caripe (Estado Monagas), se hospedan en un convento de frailes aragoneses durante una semana y el 28 de septiembre de 1799, exploran la famosa Cueva del Guácharo en 472 metros de profundidad. Realizó mediciones, estudió su geología y el curso del río subterráneo, convirtiéndose así Humboldt en el precursor de la espeleología científica de América Latina. También para la Ornitología, Humboldt aporta allí una valiosa contribución, al descubrir un nuevo género y especie de ave: Steatornis caripensis, popularmente llamada "guácharo". Humboldt hizo excelentes dibujos de este animal al salir de la gruta, utilizando dos guácharos que había matado Bonpland, así mismo dejó constancia que de la extracción de su manteca hacían frailes y pobladores, con fines culinarios. Siguieron por la ruta de Santa María hacia el Golfo de Cariaco. En Cariaco, se embarcaron de nuevo hacia Cumana.
El 27 de Octubre, en Cumaná , Humboldt y Bonpland, en vísperas de un eclipse solar que querían estudiar, fueron asaltados por un zambo, quien lesionó fuertemente en la cabeza al Sr. Bonpland. Criticó Humboltd el sistema de justicia, por ser lento y estar las prisiones llenas de detenidos esperando a tener, tras siete u ocho años, un juicio justo
Las observaciones de Humboldt sobre la sismicidad de Cumaná y sus posibles relaciones con la actividad volcánica en algunas islas de las Antillas, son de escaso valor científico para la Sismología y Vulcanología actual. En cambio, sus estudios sobre el eclipse de sol en Cumaná y otras observaciones astronómicas son de gran importancia.
Abandonaron Cumaná el 18 de noviembre de 1799 con destino a Caracas, donde permanecieron alrededor de dos meses y el 2 de enero de 1800 efectuaron la primera excursión científica a la Silla de Caracas. En esa ocasión los acompañó un joven más tarde notable: Andrés Bello. Humboldt realizó estudios del valle de Caracas, del pico del Avila y de las aguas termales de las Trincheras.
El 7 de febrero de 1800 se internan por los Valles de Aragua. Visitaron Valencia y Puerto Cabello, regresaron luego a Villa de Cura, para recorrer los Llanos de Calabozo. El 27 de marzo de 1800 llegan a San Fernando de Apure y el 1 de abril entran en la confluencia del Apure con el Orinoco. Humboldt realizó experimentos sobre las descargas eléctricas producidas por los peces tembladores de los ríos de los llanos venezolanos, los cuales fueron de gran utilidad para el conocimiento de la electrofisiología.
La historia del Casiquiare se remonta al año de 1599, cuando Sir Walter Raleigh, famoso caballero y corsario al servicio de la Reina Isabel I de Inglaterra, hizo publicar por cartógrafos holandeses, un célebre mapa en donde se ilustraban sus hazañas en Guayana. En ese mapa no aparece el Casiquiare, sino una cadena de montañas y un gran lago llamado Parima, ubicado entre los ríos Orinoco y Amazonas. En 1744, el sacerdote jesuita Manuel Román hizo una incursión por el Río Negro y el Casiquiare, pero después otros negaron la existencia de ese brazo fluvial. Uno de los objetivos más importantes del viaje de Humboldt, según, él, era el tratar de verificar científicamente, si existía o no una comunicación natural entre las hoyas hidrográficas de los ríos Orinoco y Amazonas. La existencia del Casiquiare, ese gran brazo de agua de más de 300 kilómetros de curso, había sido afirmada o negada durante muchos años y Humboldt quería comprobar cuál era la verdad científica al respecto. Los viajeros remontaron, durante todo el mes de abril de 1800, el curso medio del Orinoco y llegaron el 7 de mayo a San Carlos de Río Negro, el punto más austral del viaje por Venezuela. Durante tres días estuvieron en la aldea de San Carlos de Río Negro, región próxima al ecuador terrestre, y una de las más interesantes del Mundo desde el punto de vista climatológico, porque allí convergen los vientos alisios y se forman las llamadas "calmas ecuatoriales" o "zona de convergencia intertropical", que origina gran inestabilidad atmosférica y marcada nubosidad y pluviosidad. Humboldt, sin contar con los recursos modernos de la Climatología, hizo importantes observaciones sobre la masa de aire ecuatorial y aportó valiosos datos para el conocimiento de la misma. De San Carlos de Río Negro siguieron hacia la desembocadura del Casiquiare el 10 de mayo de 1800 y navegaron por el mismo durante once días, hasta entrar nuevamente en el cauce del Orinoco, demostrando así la comunicación entre las cuencas de los ríos Orinoco y Amazonas.
De regreso por el Orinoco, llegan a Angostura (hoy Ciudad Bolívar) y se dirigen por tierra hacia Píritu y Barcelona. De allí se trasladan por tercera vez a Cumaná.
El 24 de noviembre de 1800, Humboldt y Bonpland abandonan definitivamente Venezuela con destino a Cuba.
Humboldt se residenció en París durante poco más de veinte años y allí conoció en 1804 al joven Simón Bolívar, con quien lo unió una gran amistad, que mantuvo hasta la muerte del Libertador.
Humboldt contribuyó al desarrollo de la Cartografía moderna al levantar mapas físicos de algunas de las regiones visitadas de América. En el mapa del Casiquare, por ejemplo, incluye las formaciones vegetales, las fechas de su itinerario y los puntos en donde hizo observaciones astronómicas. Fue el primero en trazar las "líneas isotermas" que actualmente se utilizan en los mapas climáticos y que indican las temperaturas en todos los lugares, en un momento dado.
En sus viajes conoció numerosas tribus indígenas, como los chaimas, guaiqueries, cumanagotos, caribes, guahibos, maipures y otomacos, entre otros, convirtiéndose en defensor de estas etnias. Escribe sobre los cultivos de la caña de azúcar, algodón, café y cacao en Venezuela.
Durante todo el viaje por el Nuevo Continente, Bonpland y Humboldt recolectaron numerosas plantas y estudiaron más de un millar de especies. Sólo de su estancia en Venezuela recopilaron más de 6000 plantas y describió 3600 especies hasta entonces desconocidas. Publicó, conjuntamente con Bonpland y Kunth, entre 1815 y 1825 la obra monumental: "Nova Genera et Species Plantarum", constituida por 7 tomos y un atlas ilustrado, con 700 ilustraciones y tablas.
Humboldt también se interesó mucho en la distribución geográfica y altitudinal de las plantas (Fitogeografía), levantando perfiles de mapas sobre la distribución de diversas asociaciones vegetales. En sus viajes descubrió un principio ecológico importante, que es el de la relación que hay entre la latitud y la altitud, al describir que subir una montaña en el trópico es análogo a viajar desde el Ecuador hacia el norte o hacia el sur, en términos de clima y vegetación.
El famoso historiador Lisandro Alvarado tradujo la publicación "Viaje a las regiones equinocciales del nuevo continente", obra en 13 tomos. El texto original fue publicado en Francés entre 1799 a 1804. Con esta obra Humboldt completa la tarea iniciada por Colón, de descubrir la tierra americana, ya que con su labor de naturalista, descubre y describe su biología, geología, su física, su botánica, su zoología, demografía, sociología, en fin, la naturaleza.
Es difícil estimar la cantidad de contribuciones de Humboltd a la ciencia. La geografía de Latinoamérica era imperfectamente conocida antes de sus viajes por aquel continente, donde trabajo duro en la preparación de mapas en los cuales señalar las posiciones de todos sus descubrimientos. Sus observaciones sobre la metereología eran muy numerosas en todos los lugares que visitaba, a él le debemos las más importantes generalizaciones sobre el clima como por ejemplo las isotermas que pintamos sobre nuestros mapas.
La Oceanografía Física también se ha visto enriquecida con las observaciones y mediciones que hizo Humboldt sobre las aguas del Océano Pacífico, descubriendo la corriente marina que, posteriormente, fue bautizada con su nombre (Corriente de Humboldt).
Humboldt era una fuente inagotable de sabiduría y adquiría sus conocimientos con extraordinaria rapidez, todo ello facilitado por el dominio que tenía de varios idiomas, incluyendo algo de español. Trabajó arduamente por la ciencia durante 70 años y empleó su fortuna personal en sus viajes, publicaciones, y en ayudar a otros científicos jóvenes y de escasos recursos.
