Im Oktober 1802 erreichen Humboldt und Bonpland mit Peru den südlichsten Punkt ihrer Reise. Sie bleiben einige Wochen in der Hauptstadt Lima, wo Alexander mit seinem Teleskop das einmalige Ereignis beobachtet, wie Merkur auf seiner Flugbahn die Sonne verdunkelt. Im Dezember 1802 besteigen die Reisenden ein Schiff, das sie entlang der Westküste Südamerikas zurück nach Mexiko bringen soll.
Während der Fahrt misst Humboldt unentwegt Wassertemperatur und Geschwindigkeit der Meeresströmungen. Seine Messergebnisse helfen den bereits bekannten „Peruanischen Küstenstrom kalten Wassers“ zu kartieren. 1840 wird der Strom ihm zu Ehren, in „Humboldt-Strom“ umbenannt, was gegen seinen ausdrücklichen Willen geschieht.
Die letzte Station auf Humboldts langer Reise soll Mexiko sein. Fast nebenbei vermisst er während seinem Aufenthalt in der zentralen Gebirgsgruppe die Vulkane Popocatepetl (4.500 Meter), den Iztaccíhuatl (4.786 Meter) und den Chilaltépetl (5.295 Meter), und zeichnet darüber das erste Höhenprofil eines außereuropäischen Landes. Doch sein Hauptaugenmerk in Mexiko gilt den Indianern und der Geschichte der Azteken. Er zeichnet Tempelgebäude, Wandreliefs und Darstellungen ab, um bis zu den Wurzeln der fremden Kultur vorzudringen.
Humboldts Messinstrumente funktionieren immer noch fehlerfrei und die meisten Materialsammlungen hat er zwischendurch immer wieder nach Hause geschickt. Insgesamt haben er und Bonpland über 60.000 Pflanzen gesammelt, wovon über 6.300 noch unbekannt sind. Ihre „handliche“ Ausrüstung passt immer noch auf 21 Maultiere, und auch körperlich ist er auf der Höhe. Nur das Heimweh nach seinen Freunden und der Drang nach wissenschaftlichem Austausch über seine Forschungsergebnisse ziehen ihn nach Hause.
Im Januar 1804 verlässt Humboldt Mexiko in Vorfreude auf die Heimat. Nach einem kurzen diplomatischen Besuch beim amerikanischen Präsidenten Jefferson reist er im Juli von Philadelphia nach Bordeaux. Am 27. August 1804 erreicht er sein Ziel Paris.
