1636年，徐霞客年屆50歲。他立誌考察西南地貌，跋涉“蠻荒”。便於這一年的農曆九月十九深夜，辭別親友，放足萬裏。同行 的有靜聞和尚和顧姓仆人。
靜聞是江陰迎福寺僧人，曾刺血寫成《法華經》一部，願供於雲南的雞足山。
他們取道浙江，越江西、湖南、廣西、貴州去雲南。於1637年農曆二月二十夜泊湘江新塘，同船還有其他幾個客人。
這天夜裏，靜夜中有女子的哭聲從岸邊傳來，僧人心不能忍，就下船去勸說那女子。等他回到船上不久，一群盜賊尾隨殺了過來。
徐霞客由於長年履足山川大河，早已鍛煉得身手敏捷。他見勢不好，躍身跳入水中逃生。盜賊不僅搶劫，還用刀槍亂刺客人。他又隻身逃到遠處的一條小舟上，被一個姓戴的客人搭救。
第二天，徐霞客找到靜聞與仆人，仆人受了槍傷。後來他們才得知，同船的一位客人在這次劫難中死去，幾天後，屍體在下遊找到。
徐霞客此時身無分文，便進城找到一個同鄉金祥甫求助，就寄住在他家。遭此一劫，徐霞客並未氣餒，不曾放棄遊曆的誌向。通過一些朋友的幫助，並以家鄉1.3公頃田租為代價，換來重新上路的川資。
不久，靜聞病死於廣西南寧崇善寺。徐霞客背負靜聞遺骨，與顧姓仆人分擔行李，曆時一年餘，經貴州到達雲南的雞足山悉檀寺，供 上了靜聞刺血寫成的《法華經》，替他完成了遺願。
後來，徐霞客在僧人們的幫助下繼續考察，主要活動於崇山峻嶺。山中無糧，就吃野菜野果為生；無處投宿，就以山洞樹林為家。
攀絕壁，涉洪流，探曆100多個石灰岩溶洞，認真記載。由此，他成為世界上對這一帶石灰岩地貌進行大規模考察，並做詳細記錄和深入研究的第一人。
接著，徐霞客又橫穿雲南，對金沙江、瀾滄江、麗江等諸水流實地調查勘測，寫成《溯江紀源考》和《盤江考》，詳細論證長江和盤江的水源，肯定金沙江為長江上源，糾正了儒家經典《禹貢》以岷江為長江源之謬。
此外，徐霞客還遠抵雲南邊陲騰衝，對有地下熱能表現的地區進行尋訪。直至患了足疾，還應麗江知府木生白之請，在此駐留，幫修《雞足山誌》4卷，曆3個月告成。
徐霞客經過30多年考察，最後撰成了60萬字的《徐霞客遊記》， 開辟了地理學上係統觀察自然、描述自然的新方向。它既是係統考察祖國地貌地質的地理名著，又是描繪華夏風景資源的旅遊巨篇，還是文字優美的文學佳作，在國內外具有深遠的影響。
《徐霞客遊記》在地理學上有4個方麵的重要成就：
其一，徐霞客是我國和世界廣泛考察喀斯特地貌的卓越先驅。他對喀斯特地區的類型分布和各地區間的差異，尤其是喀斯特洞穴的特征、類型及成因，有詳細的考察和科學的記述。
僅在廣西、貴州、雲南省區，他親自探查過的洞穴便有270多個，而且一般都有方向、高度、寬度和深度的具體記載。徐霞客關於喀斯特地貌的詳細記述和探索，居於當時世界的先進水平。
其二，糾正了文獻記載的關於我國水道源流的一些錯誤。如否定自《尚書·禹貢》以來流行1000多年的“岷山導江”舊說，肯定了金沙江是長江上源。
正確指出河岸彎曲或岩岸水流之處衝刷侵蝕厲害，河床坡度與侵蝕力的大小成正比等問題。對噴泉的發生和潛流作用的形成，也有科學的解釋。
其三，觀察記述了很多植物的生態品種，明確提出了地形、氣溫、風速對植物分布和開花早晚的各種影響。
其四，調查了雲南騰衝打鷹山的火山遺跡，科學地記錄與解釋了 火山噴發出來的紅色浮石的質地及成因；對地熱現象的詳細描述在我國也是最早的。對所到之處的人文地理情況，包括各地的經濟、交通、城鎮聚落、少數民族和風土文物等，也作了不少精彩的記述。
值得一提的是，《徐霞客遊記》在文學上也形成了自己的特點。寫景記事，悉從真實中來，具有濃厚的生活實感；寫景狀物，力求精細，常運用動態描寫或擬人手法，遠較前人遊記細致入微；詞彙豐富，敏於創製，不落窠臼；寓情於景，情景交融，同時注意表現人的主觀感覺；通過豐富的描繪手段，使遊記表現出很高的藝術性，具有恒久的審美價值。
此外，作者在記遊的同時，還常常兼及當時各地的居民生活、風俗人情、少數民族的聚落分布、土司之間的戰爭兼並等情事，多為正史稗官所不載，具有一定曆史學、民族學價值。