W 1834 roku Strzelecki wyjechał do USA, będąc wtedy jedynym polskim podróżnikiem na kontynencie amerykańskim. Prowadził wielotematyczne badania przyrodnicze w Ameryce Północnej. Odwiedził m.in. północno-wschodnie Stany Zjednoczone, rejon Appalachów, kraje Ameryki Środkowej a także Kanadę, gdzie w okolicy Jeziora Ontario odkrył złoża rud miedzi. Podróżował również po Ameryce Południowej, odwiedzając m.in. Urugwaj, Chile, Peru, Ekwador i rejon Andów. W 1836 roku w Brazylii prowadził badania geologiczne, etnograficzne i antropologiczne wśród miejscowych Indian. Odbył rejs wzdłuż zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej, żeglował po Morzu Karaibskim i Zatoce Meksykańskiej. W 1838 roku udał się do Oceanii, ostatecznie żegnając się z Ameryką. Podczas rejsu odwiedził Markizy, Hawaje i Tahiti. Wyprawa ta umożliwiła mu przeprowadzenie badań oceanograficznych oraz zrozumienie zasad nawigacji morskiej. W celu poznania hawajskich wulkanów udał się w okolice stożków Mauna Loa i Kilauea, co zaowocowało stworzeniem jednych z pierwszych ich opisów. W Nowej Zelandii pieszo pokonał cały północny cypel wyspy.
Gdy Strzelecki w kwietniu 1839 roku dotarł do Australii, okazało się, że znana jest tylko niewielka część tego kontynentu. Skupił się na eksploracji Nowej Południowej Walii. Głównym obiektem jego zainteresowań były Alpy Australijskie, które w ciągu trzech lat poznał bardzo dokładnie, dokonując pomiarów, zdjęć topograficznych, oraz wyznaczając wysokość poszczególnych szczytów. Odkrył najwyżej położone pasmo kontynentu – Góry Śnieżne, a 15 lutego 1840 roku osiągnął punkt kulminacyjny tego łańcucha, któremu nadał nazwę Mount Kościuszko (2228 m n.p.m.). Wynikała ona z racji jego podobieństwa do krakowskiego Kopca Kościuszki. W masywie zerwał kwiat, który wysłał później w romantycznym liście do umiłowanej Adyny. Strzelecki ustalił źródła najdłuższej rzeki Australii – Murray, a w dolinie Latrobe odkrył pokłady węgla, rudy miedzi i kwarcu. Jako pierwszy wysunął tezę, że Góry Tasmanii są kontynuacją Wielkich Gór Wododziałowych. Po południowo-wschodniej stronie gór ujrzał krainę, którą na cześć panującego gubernatora nazwał Gippsland. Polak opracował również mapę geologiczną Australii.
Jego Monografia Nowej Południowej Walii i Tasmanii została w 1846 roku odznaczona złotym medalem Królewskiego Towarzystwa Geograficznego. W 1853 roku jako trzeci Polak w historii uzyskał członkostwo w Royal Geographical Society of London. W 1860 roku otrzymał doktorat honorowy uniwersytetu w Oxfordzie, zaś w 1869 roku order świętego Michała i św. Jerzego, przyznany mu, jak napisano w uzasadnieniu, za pięcioletnie badania Australii, odkrycie złota i nowych terenów przydatnych do kolonizacji, a wreszcie za sporządzenie map topograficznych i geologicznych, opartych na obserwacjach astronomicznych.
Karol Darwin, oceniając pracę naukową Strzeleckiego, pisał: Gratuluję Panu ukończenia pracy, która z pewnością kosztowała wiele wysiłku. Jestem zaskoczony wielością doniosłych spraw, o których Pan pisze. Niech wolno mi będzie wyrazić żal, że nie ma tam o wiele obszerniejszych wyjątków z „Dziennika podróży”. Mam nadzieję, że pewnego dnia zostanie on opublikowany w całości… Z całego serca życzyłbym sobie, żeby choć czwarta część naszych angielskich autorów umiała myśleć i pisać językiem choć w połowie tak żywym, a przy tym prostym.

