আলেকজান্ডার হামবোল্ট, চার্লস ডারউইন এবং উইলিয়াম হেনরি এডওয়ার্ডসের মত বেশ কয়েকজন পর্যটক প্রকৃতিবিদদের দ্বারা উৎসাহিত হয়ে ওয়ালেস নিজেই প্রকৃতিবিদ হিসেবে প্রত্যক্ষভাবে কাজ করার জন্য বিশ্বভ্রমণে বের হওয়ার সিদ্ধান্ত নেন। ১৮৪৮ সালে ওয়ালেস এবং হেনরি বেইটস ব্রাজিলের উদ্দেশ্যে "মিসচিফ" নামক একটি জাহাজে চেপে বসেন। তাদের উদ্দেশ্য ছিল আমাজনের ঘনবর্ষণ বনভূমি থেকে পোকামাকড় এবং অন্যান্য প্রাণীর নমুনা সংগ্রহ করে এনে যুক্তরাজ্যের সংগ্রাহকদের কাছে বিক্রি করা। পাশাপাশি ওয়ালেস প্রাণীজগৎ পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে প্রজাতির ট্রান্সমিউটেশন ধারণার পক্ষে প্রমাণ সংগ্রহ করতে চেয়েছিলেন।

প্রথম বছরের অধিকাংশ সময়ই ওয়ালেস ও বেইটস বেলেম দো পারা নামক স্থানের নিকটে তাদের সংগ্রহ অভিযান চালান, এরপর তারা আলাদা আলাদাভাবে সমুদ্র থেকে অপেক্ষাকৃত দূরের জায়াগাগুলোতে যেতেন এবং ফিরে এসে একে অপরকে তাদের নতুন আবিষ্কারগুলোর কথা বলতেন। ১৮৪৯ সালে তাদের সাথে স্বল্প সময়ের জন্য যোগ দিয়েছিলেন তরুণ অভিযাত্রী ও উদ্ভিদবিজ্ঞানী রিচার্ড স্প্রুস এবং ওয়ালেসের ছোট ভাই হার্বার্ট। হার্বার্ট কিছুদিনের মধ্যেই ফিরে আসেন এবং দুই বছর পর পীতজ্বরে মারা যান। কিন্তু স্প্রুস বেইটসের মতোই আরও দশ বছর দক্ষিণ আমেরিকায় থেকে প্রচুর নমুনা সংগ্রহ করেন।

ওয়ালেস চার বছর ধরে রিও নেগ্রোর মানচিত্র তৈরির কাজ করেছেন, পাশাপাশি এর আশপাশে বসবাসকারী মানুষ, ভাষা, ভূগোল, উদ্ভিদ ও প্রাণী সম্পর্কে তথ্য সংগ্রহ করেছেন এবং অনেক প্রাণীর নমুনা সংগ্রহ করেছেন। ১৮৫২ সালের ১২ই জুলাই ওয়ালেস "হেলেন" নামক জাহাজে (পালতোলা, যাকে ব্রিগ বলা হয়) চড়ে ইংল্যান্ডের উদ্দেশ্যে ফিরতি যাত্রা করেন। ২৬ দিন জাহাজে থাকার পর হঠাৎ জাহাজটির মালামালে আগুন লেগে যায় এবং ক্রু-রা জাহাজ ত্যাগ করতে বাধ্য হয়। ওয়ালেসের সংগৃহীত প্রাণীদের যে নমুনাগুলো জাহাজে ছিল তার সবই তাকে হারাতে হয়। জাহাজে ওঠার আগের কিছু সময়ে সংগৃহীত নমুনাগুলোই মূলত সেখানে ছিল, কিন্তু এগুলোই সম্ভবত তার সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ নমুনা ছিল। তিনি কেবল তার ডায়রির কিছু অংশ এবং কিছু ছবি রক্ষা করতে পেরেছিলেন।

দশ দিন উন্মুক্ত নৌকায় সমুদ্রে ভেসে ভেসে থাকার পর কিউবা থেকে লন্ডনগামী "জর্ডেসন" নামক একটি ব্রিগ তাদেরকে উদ্ধার করে। অনাকাঙ্ক্ষিত নতুন যাত্রীদের কারণে জর্ডেসনের মজুদকৃত খাবার ও অন্যান্য সুবিধাদি বেশ দ্রুত শেষ হয়ে যাচ্ছিল। খুব কম রেশন নিয়ে বেশ ঝুঁকিপূর্ণ একটি যাত্রা শেষে জাহাজটি অবশেষে ১৮৫২ সালের ১লা অক্টোবর ইংল্যান্ডে পৌঁছায়।

যুক্তরাজ্যে ফেরার পর ওয়ালেস প্রায় ১৮ মাস লন্ডনে থাকেন জাহাজের আগুনে তার হারিয়ে যাওয়া সম্পদের ইন্স্যুরেন্সের অর্থে। অবশ্য রিও নেগ্রোর মানচিত্রে নির্মাণের আগে তিনি ব্রাজিল থেকে যে নমুনাগুলো ইংল্যান্ড পাঠিয়েছিলেন তার কিছুও এবার বিক্রি করতে সমর্থ হন। দক্ষিণ আমেরিকায় তার রোমাঞ্চকর অভিযানের প্রায় সকল রেকর্ড হারিয়ে যাওয়ার পরও এই সময়ের মধ্যে তিনি ছয়টি একাডেমিক গবেষণাপত্র (যার মধ্যে একটির নাম "On the Monkeys of the Amazon"), এবং দুইটি বই ("Palm Trees of the Amazon and Their Uses" এবং "Travels on the Amazon") প্রকাশ করেন। He also made connections with a number of other British naturalists—most significantly, Darwin.

১৮৫৪ থেকে ১৮৬২ সাল পর্যন্ত অর্থাৎ ৩১ থেকে ৩৯ বছর বয়সের মাঝে ওয়ালেস পূর্ব ভারতীয় দ্বীপপুঞ্জ তথা মালয় আর্কিপেলাগোতে ছিলেন। বর্তমানে এই অঞ্চলটি সিঙ্গাপুর, মালয়েশিয়া এবং ইন্দোনেশিয়ার অন্তর্ভুক্ত। এবারও তার উদ্দেশ্য ছিল নমুনা সংগ্রহ এবং প্রাকৃতিক ইতিহাসের নিবিঢ় অধ্যয়ন। ইন্দোনেশিয়াতে তার সংগ্রহীকৃত ৮০টি পাখি প্রজাতির কঙ্কাল এবং তৎসংশ্লিষ্ট তথ্যাদি কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের প্রাণীবিজ্ঞান জাদুঘরে সংরক্ষিত আছে। তিনি লক্ষ্য করেছিলেন মালয় দ্বীপপুঞ্জের পশ্চিমাঞ্চলের জীবজন্তু এশীয় প্রকৃতির কিন্তু পূর্বাঞ্চলের গুলো অস্ট্রালেশীয় প্রকৃতির। প্রজাতির উৎপত্তি নিয়ে গবেষণার অংশ হিসেবে এসব প্রাণী গভীরভাবে পর্যবেক্ষণ এবং সমুদ্রের পানির গভীরতা পরিমাপ করে তিনি বুঝতে পেরেছিলেন, এই দ্বীপপুঞ্জের পূর্বাংশ (নিউ গিনি) এক সময় অস্ট্রেলিয়ার সাথে যুক্ত ছিল, এবং সেটি যেহেতু কখনো পশ্চিমাংসের সাথে ভূমি দিয়ে যুক্ত হয়নি, সেহেতু সেখানকার জীবজন্তু আলাদাই রয়ে গেছে। বর্তমানে পূর্ব-পশ্চিমকে বিভাজনকারী এই রেখাকে ওয়ালেস রেখা বলা হয়।

ওয়ালেস মালয় দ্বীপপুঞ্জে ১২৬,০০০ এরও বেশি নমুনা সংগ্রহ করেছিলেন যার মধ্যে কেবল গুবরে পোকাই ছিল ৮০ হাজার। এর মধ্যে কয়েক হাজার ছিল তখনকার বিজ্ঞানীদের কাছে অজানা প্রজাতি। এই অঞ্চলে তার আবিষ্কার করা সবচেয়ে পরিচিত প্রজাতিগুলোর মধ্যে অন্যতম হচ্ছে উড়তে সক্ষম ব্যাঙ "Rhacophorus nigropalmatus" যাকে বর্তমানে ওয়ালেসের উড়ুক্কু ব্যাঙ বলা হয়। এখানে থাকার সময়ই তিনি বিবর্তন সম্পর্কে তার ধারণাগুলো আরও পরিষ্কার করেন এবং প্রাকৃতিক নির্বাচন প্রক্রিয়াটি আবিষ্কার করতে সক্ষম হন। ১৮৫৮ সালে নিজের তত্ত্বটি একটি চিঠির মাধ্যমে তিনি ডারউইনের কাছে পাঠান। সে বছরই এই চিঠির বিষয়বস্তু এবং ডারউইনের নিজের বিবর্তন বিষয়ক তত্ত্ব একসাথে প্রকাশিত হয়।

তার পূর্ব এশীয় অভিযানের বিস্তারিত বর্ণনা অবশেষে ১৮৬৯ সালে "The Malay Archipelago" নামক একটি বই হিসেবে প্রকাশিত হয়। এটি ঊনবিংশ শতকের বৈজ্ঞানিক অভিযান বিষয়ক সবচেয়ে জনপ্রিয় বই এবং প্রথম প্রকাশের পর থেকে এ পর্যন্ত তা নিরবচ্ছিন্নভাবে মুদ্রিত হয়ে চলেছে। বইটি তিনি ডারউইনকে উৎসর্গ করেছিলেন এবং ডারউইন বইটির অনেক প্রশংসাও করেন। এছাড়া চার্লস লায়েল এবং বিখ্যাত ঔপন্যাসিক জোসেফ কনরাড বইটির প্রশংসা করেন। কনরাড "দ্য মালয় আর্কিপেলাগো"-কে তার প্রিয় "bedside companion" হিসেবে অভিহিত করেছিলেন এবং তার বেশ কয়েকটি উপন্যাসের (বিশেষ করে "Lord Jim") তথ্যের উৎস হিসেবে ব্যবহার করেছিলেন।

অভিযাত্রা এবং প্রাকৃতিক বিশ্ব পর্যবেক্ষণ
বিবর্তন বিষয়ে প্রাথমিক চিন্তা
সতর্কীকরণ বর্ণ ও যৌন নির্বাচন
অন্যান্য বৈজ্ঞানিক অবদান