В начале 1871 года Стэнли собрал в Занзибаре сведения о возможном местопребывании Ливингстона. Выступив 21 марта 1871 года из Багамойо во главе большой, прекрасно оснащенной экспедиции, Стэнли двинулся на запад к горам Усагара; по пути он обследовал долину Мкондоа и установил, что эта река - не приток Кингани, как полагали Бёртон и Спик, а верховье Вами. Путь Стэнли через Усагару и Угого к Таборе проходил близко к маршруту Бёртона и Спика, но за Таборой прямая дорога на Танганьику оказалась отрезанной восстанием ваньямвези против арабских работорговцев, ввиду чего экспедиции пришлось сделать большой крюк к югу; это имело следствием ознакомление с южной частью бассейна Малагараси и, в частности, открытие ее главного левого притока - Угалла. 10 ноября 1871 года караван Стэнли вступил в Уджиджи, куда незадолго до того прибыл с берегов Луалабы Ливингстон. Там и состоялась встреча двух путешественников по Африке.
Стэнли снабдил Ливингстона различными предметами первой необходимости, в том числе медикаментами, в которых тот особенно нуждался, и старый путешественник вновь воспрянул духом. В ноябре-декабре 1871 года они вместе объехали на лодке северную часть Танганьики и побывали в устье Рузизи, окончательно установив, что эта река впадает в озеро, а не вытекает из него. Один из местных вождей сообщил им, что Рузизи берет начало в озере Киво (т. е. Киву), значительно меньших размеров, чем Танганьика; об огромном же водоеме, который помещал на своей карте непосредственно к северу от Танганьики Бейкер, он ничего не слышал, из чего Стэнли сделал правильное заключение, что "сэру Сэмюэлю Бейкеру придется уменьшить Альберту-Ньянзу на один, если не два градуса широты".
В самом конце декабря 1871 года оба путешественника покинули Уджиджи и в феврале 1872 года прибыли в Табору, где Ливингстон, наконец, смог получить имущество, давно уже присланное в его адрес из Занзибара.
Бойко написанная книга Стэнли "Как я нашел Ливингстона" (1872) имела шумный успех. Несмотря на некоторые недостатки (например, карты делались на основании измерений, полученных с помощью одного лишь компаса), эта книга является блестяще написанным, "классическим" исследовательским произведением об Африке. Она вышла в свет через четыре недели после возвращения Стэнли в Соединенные Штаты, и уже одно только это обстоятельство характеризует энергию автора. Правда, сначала английские газеты и отдельные читатели называли Стэнли американским выскочкой, утверждали, что он трясся от страха и сидел в джунглях, пока его в конце концов не нашел Ливингстон. И только прием у королевы Виктории заставил нападавших угомониться. Для Генри Мортона Стэнли этот прием, кажется, был самым сильным впечатлением жизни. "Что меня больше всего поразило, это выражение власти, которое излучали ее глаза; ее спокойная, дружеская, но не двусмысленная снисходительность". Королева же написала дочери в Берлин: "Это решительный, некрасивый, маленький человек с сильным американским акцентом".
С точки зрения географической науки поиски Ливингстона принесли открытие Рузизи - реки, которая из озера Киву течет в озеро Танганьика.
В сентябре 1874 года Генри Мортон Стэнли объявился в Занзибаре. На этот раз он поставил своей задачей "довершить открытия Спика, Бёртона и Ливингстона": устранить оставшиеся неясности в вопросе об истоках Нила (в особенности в отношении целостности озера Виктория) и окончательно решить проблему Луалабы.
Исследовательское предприятие Стэнли финансировали две крупных газеты: английская "Дейли телеграф" и американская "Нью-Йорк геральд". Как и в предыдущем своем восточноафриканском путешествии, он не был стеснен в средствах и смог организовать большую, великолепно снаряженную экспедицию. Его караван, выступивший в путь из Багамойо 17 ноября 1874 года, состоял из 356 человек, в том числе 270 носильщиков, которые несли помимо прочего экспедиционного имущества большую разборную парусную лодку "Леди Элис". Из европейцев, кроме самого Стэнли, в экспедиции приняли участие трое молодых англичан: Фредерик Баркер и братья Покок - Фрэнсис-Джон и Эдуард.
До Утого Стэнли шел уже знакомой ему дорогой, но затем отклонился от нее на север и северо-запад, чтобы, не заходя в Табору, выйти напрямик к озеру Виктория. Путь этот, проходивший через еще совершенно неизвестные европейцам области, оказался чрезвычайно тяжелым.
Караван растянулся более чем на километр. Медная проволока, ситец, мешки, полные бисера, раковин каури и провизии, ящики со снаряжением, а также разобранный, достигавший двенадцатиметровой длины бот из кедрового дерева "Леди Элис" - все это несли на своих плечах носильщики. Стэнли гнал их вперед, поскольку хотел любой ценой превзойти дневные переходы всех своих предшественников. И действительно, его караван проходил в день в среднем на четыре километра больше, но к январю 1875 года восемьдесят девять носильщиков сбежали, тридцать заболели, двадцать умерли. С припасами обходились более бережно, чем с людьми. Так, из путевых заметок читатели узнали о так называемом марше голода, когда люди не побрезговали протухшим мясом павшего слона, в то время как караван все еще вел с собой скот для убоя.
В последнюю неделю января Стэнли вступил в первое из более чем тридцати сражений этого путешествия. Видимо, против него выступили две тысячи воинов-вататуру. Стэнли никогда не соглашался идти в обход, если мог пробить себе дорогу огнем...
До озера дошло меньше половины личного состава экспедиции; остальные умерли от голода и болезней, погибли в стычках или просто убежали. Одной из первых жертв стал Эдуард Покок, скончавшийся от лихорадки 17 января 1875 года.
27 февраля 1875 года караван прибыл в селение Кагейи на южном берегу Виктории (немного восточнее Мванзы - того места, где побывал в 1858 году Спик).
8 марта 1875 года Стэнли, оставив основную часть экспедиции в Кагейи, пустился в плавание по озеру на собранной и спущенной на воду "Леди Элис". Первые же дни плавания увенчались открытием большого юго-восточного залива озера, который Стэнли назвал именем Спика. Обогнув с запада крупный остров Укереве и оставив по левому борту соседний остров Укара, путешественник двинулся на север вдоль восточного берега Виктории, старательно отмечая на карте все извивы береговой линии; при этом он смог удостовериться в том, что среди притоков, которые озеро принимает с восточной стороны, нет ни одного сколько-нибудь значительного (о чем говорили и сведения, собранные Спиком). По прибытии к северному берегу, в Буганду, Стэнли нанес визит Мтесе и заручился его поддержкой, после чего продолжил свое плавание - теперь уже в сопровождении целой флотилии пирог баганда. Следуя вдоль северного, а затем западного берега озера, он посетил устья Катонги и Кагеры; особенно заинтересовала его Кагера, по которой он поднялся на несколько километров, но не смог продвинуться дальше из-за слишком сильного течения. Стэнли убедился, что эта река превосходит по водоносности все прочие притоки Виктории и, следовательно, может претендовать на роль главного истока Нила. 5 мая он завершил объезд озера, снова прибыв в Кагейи, где узнал о смерти Баркера, последовавшей от лихорадки 27 апреля.
В результате кругового плавания Стэнли по озеру Виктория была прослежена и положена на карту, хотя и не слишком точно, почти вся его береговая линия. Неисследованным остался лишь юго-западный угол озера, "срезанный" Стэнли наискосок на обратном пути в Кагейи; кроме того, от внимания путешественника ускользнул большой северо-восточный залив Кавирондо (узкий вход в него Стэнли принял за вершину сравнительно не глубоко вдающейся в сушу бухты, которая и значится в этом месте на его карте). Эти пробелы, разумеется, ничуть не умаляют значения плавания Стэнли, явившегося фундаментальным вкладом в решение "нильской проблемы".
"Я не вышел за рамки поставленной мне задачи, - писал Стэнли, -а именно исследования южных истоков Нила и разрешения проблемы, оставшейся нерешенной Спиком и Грантом: является ли Виктория-Ньянза одним озером или состоит из пяти озер, как сообщали Ливингстон, Бёртон и др. Эта проблема теперь удовлетворительным образом решена, и Спику принадлежит вся честь открытия крупнейшего внутреннего моря на Африканском континенте, а также его главного притока, равно как и его стока. Я должен также сказать в похвалу ему, что он понял географию посещенных им стран лучше любого из тех, кто так настойчиво критиковал его гипотезу, и выражаю здесь мое восхищение этим гениальным географом, который на основании одних лишь сообщений туземцев впервые так мастерски наметил очертания Виктории-Ньянзы".
Переправившись вместе со всеми своими людьми через озеро в Буганду, Стэнли провел там несколько месяцев, знакомясь со страной и готовясь к новому исследовательскому предприятию - сухопутному путешествию на запад от Буганды, где, по рассказам местных жителей, находилось большое озеро Мута-Нзиге. Под сходными названиями (Лута-Нзиге, Мвутан-Нзиге) было известно открытое Бейкером озеро Альберт, и Стэнли не сомневался, что именно о нем и идет речь. Для охраны экспедиции Мтеса выделил вооруженный отряд, насчитывавший более двух тысяч человек.
Поход начался в ноябре 1875 года. Поднявшись вверх по заболоченной долине Катонги и перейдя слабо выраженный в рельефе водораздел между нею и текущей на запад рекой Русанго, Стэнли увидел в начале января 1876 года далеко на северо-западе горный массив Рувензори - "огромную синюю массу, которая, как нам сказали, была великой горой в стране Гамбарагара". Путешественник дал этой горе' имя Гордона Беннета, издателя "Нью-Йорк геральд"; исконное африканское название ее, под которым она значится на современных картах, было ему тогда неизвестно. Высоту горы Стэнли определил примерно в 4300- 4600 метров над уровнем моря, т. е. несколько заниженно (высшая точка Рувензори - 5109 метров). Он слышал о том, что на ее вершине часто виден Снег, но не узнал о существовании у нее постоянной снеговой шапки. Тот факт, что им был открыт третий по высоте горный массив Африки, обнаружился лишь значительно позднее.