尽管徐母的身体在同龄人中算得上十分健康，但毕竟年岁不饶人，终于也到了风烛残年的这一刻。明熹宗天启五年（公元1624年）的一天，徐霞客在华山上，当时正要下青柯坪，忽然觉得心中有十分异样的感觉，莫非家中出了什么事？他立刻用最快的速度回到家里，果然母亲病倒了，正在念叨着不在身边的他呢，足以见其母子连心。整个第二年，他一直就伺候在母亲的身边。他到处求医问药，亲自煎好汤药喂给母亲喝。母亲因为病痛吃不下饭，他就也陪着不吃，心疼儿子的母亲这才勉强吃下一些东西。尽管徐霞客精心服侍，甚至祈求上天让他代受病痛，还是无力回天。不久，给了他无限疼爱和最大鼓励的母亲还是撒手西去了。徐霞客的恸哭让四邻落泪，却再也唤不醒慈母的笑容了。此后的几年，他没有远行，在家读书、整理笔记，为母亲守孝。
母亲的丧服期满了，徐霞客心想：“从前因为母亲在世，心中难免牵绊，守身原是为了孝亲，自己也不得不多加保重。如今已经一身轻松，可以尽情去游走四方，哪怕是一把骨头留在异地他乡，也没有什么遗憾了。
他又一次做了外出的准备，临行前，来到父母墓前，深深地拜了两拜，辞家而去。打这以后，他常年在外，不再计算行程，也不再考虑时月，而是任情之所至，任意之所之。
徐霞客去闵地看望好友黄石斋，把闵山的各个角落都走了个遍，他所见到的风景，有些连当地人都没有见过。他以旺盛的精力登过了罗浮山（广东省东江北岸），走过了曹溪畔（广东省曲江县东南），接着又和黄石斋一起去了云阳（四川省东部的云阳县）。这来回两趟几乎有万里的行程，对他来说只是寻常小事，甚至没有带给他多少疲倦的神色。他登山的方法和平常人不同，总是用一根几尺长的铁棍作拐杖，插在山岩间往上攀，这样一来几乎没有他爬不上去的陡坡。他的健壮还表现在可以顶着霜风安然入睡，可以几天都不吃东西，可以穿着一件夹袄历经冬夏。人们还传说他可以与山上的禽兽、神怪们交谈。这一奇人似乎有着无穷的能量，有着无敌的意志。其实他还有着对求实求真的无尽的好奇。他曾经偶然间遇到一个人，听说某地有奇观异象，徐霞客马上掉头就往那个方向一路寻去。几个月以后回来，他到处寻找这个人，要告诉他那里并没有传说中的奇事。
他不仅从不轻信道听途说，而且也常常怀疑古籍里对山川地形的描绘。为了求证书中的虚实，他克服各种困难，力求看到最真实的情况。徐霞客的足迹遍布天下，自然也就见多了天上星辰运行的轨迹，也见多了地上各种季节的更替，掌握了世间万物变迁的一些规律以后，他认为事物的出现和变化都是有它一定的原因的，而不是像星象学家占卜巫师们说的那样牵强，所以他平生最不喜欢鼓吹各种迷信的说教。
徐霞客也不喜欢盲目因循旧说，在他读过的地理书中，很多地方都有不假考证、一味因袭前人的说法，而且还有不少附会之处。比如关于长江源头的记载，各家的说法都只是局限在中原地区的范围内，可是再向西去，又会是什么情况呢？为了找到长江真正的源头，他决定西行揭密。
明思宗崇桢九年（公元1636年），徐霞客给老朋友陈木叔留下一封告别的信，又一次辞别亲友，向西溯江而上。出发的那一天下着滂沱大雨，他的一叶小舟在江面上猛烈地晃动着，似乎随时都可能被江水吞没。望着乡亲们挽留的神色，他轻松地笑笑，说：“好凉快的雨水，就像山泉一样敲在背上，好不舒服！”边说边解开缆绳，径自去了。
这次出游，还有一僧一仆相随。和尚名号叫静闻，原在江阴的迎福寺出家，一直想去鸡足山（今云南靖内）朝拜佛祖的弟子摩河迦叶波，听说徐的西行计划，也很高兴地要求结伴同往。他们一行三人从浙江出发，经过九江、湖北，旅途的前面大多还是从前到过的地方，三人相安无事。可是到了湘江上，不幸遇到了劫匪，行李被强抢一空，在和劫匪的搏斗中，静闻还身受重伤。当地的好心朋友再次劝他们停止西行，徐霞客婉言谢绝了他们的好意，果断地说：“我随身带着铁锹呢，哪里埋不下这把身子骨呢？”他们向旧相识借了些路费，继续踏上艰难的旅程。
从洞庭湖到衡山，他们经过了七十二座山峰、十处洞穴、十五座山岩、三十八条泉水、二十五条溪流。此时，徐霞客觉得从前游峨嵋时不曾尽兴，于是经由蜀道再次进入四川境内，登上峨嵋山，他翻越岷山，还到了松潘。然后向南渡过了大渡河，游历黎、雅、瓦屋、晒经等高山，再次来到金沙江边上，经水路从金沙江泛舟到澜沧江、从澜沧江向北到了盘江。这期间，静闻的伤势加重，终于倒下了，还不到南宁，就抱恨而终。徐霞客想到朋友壮志未酬，十分悲伤，他将静闻的骨灰用盒子装起来，带着一同前行，决定把静闻带到鸡足山，实现他的遗愿。
徐霞客把中国西南的各个地方，包括云南、贵州以及各个少数民族的聚居地，几乎都游遍了。丽江的知府大人木增听说了这个奇士，很是钦慕，忙将他接来自己家中，盛情款待。云南省蒙化府的土知府，也隆重地迎接他，当地的普通居民更是对他尊敬有加。在黔国公的府上，主人觉得他随身带着的一根奇树虬根很有趣，想花重金买下，霞客说：“这可不是什么珍贵的东西，像和氏璧一样值得了十五座城池，我把它留在身边只不过是我很喜欢罢了，哪里值得了那么多钱呢？”黔国公听了越发欣赏他。
经过这么久的游历，总算来到了鸡足山上，徐霞客和悉檀寺的方丈商量，能不能在山中找一块地方安葬静闻，也算了结了朋友的夙愿。寺中的高僧被静闻的诚心、霞客的义气所感动，亲自卜测风水，在山的南坡上建了墓，并修了一座塔。晋宁的太史黄效题写了墓碑铭文，一方面歌颂静闻的“游山之志”，同时也感叹霞客与静闻的友谊：“山水为馨”。
从鸡足山下来，他继续向西，出了石门关，又走了几千里，到了昆仑山。登到半山腰，徐霞客极目远眺，看见几千里之外有座黄金宝塔，何其雄伟，又是何其神秘诱人！他立即决定还要再西进，去参见大宝法王。他对未知的渴望，似乎永远没有尽头。
在西域的时候，他托人给陈木叔捎去了一封信，信中不仅写到了这里山水的险僻奇瑰，而且还对长江源头的旧说进行了修证。他提出：岷江不是长江上游的干流，黄河之水也不是从“天上来”的；长江的干流是金沙江，它的源头在昆仑山的南面，途经十一个省，黄河则发源于昆仑山的北面，沿途流经五个省。所以桑钦的《水经》和郦道元的《水经注》都说错了，不是“岷江导江”，而是“金沙江导江”。徐霞客还将这一观点写进了《溯江纪源》，后来这篇文章被友人李端木等人收入了浙江的地方志中。
明思宗崇祯十三年（公元1640年），徐霞客从西域回到了云南，本想稍作休息，谁知忽然脚发了病，再也不能远游了。他接受了丽江木知府的邀请，留在云南修《鸡足山志》。三个月后完稿，霞客想念家乡故居，木知府为他设宴送别，又备好车辆仆从送他回浙江。因路途险远，辗转颠簸一百五十多天后，才到了楚地，一行人已经困顿不堪。黄冈侯大令对徐霞客也是久仰其名，急忙替他准备了船只，使他乘船沿江面顺流而下。又过了六天，船到了江阴，徐霞客这才得以生还。
回到家中，家里上上下下的情况还来不及细谈，徐霞客就急切地询问旧友黄石斋的境遇。听说他身陷囹圄，又远在京城，不禁潸然泪下，叹息道：“我这一生淡薄俗事，四海为家，见识了那么多名胜，也结识了一群知己朋友，本该没有什么遗憾了。可是如今有生之日将尽，却见不到老朋友，无力相助了啊！”他让侄儿前往京城探望黄石斋，回来把具体的情形讲给他听，听完了又忍不住为好友蒙冤而愤恨不已。
徐霞客很看重朋友之谊，弥留之际还亲手书写“寒山无忘灶下”几个字送给挚友陈木叔，以存作纪念，恳请莫忘旧日情义。
明思宗崇祯十四年（公元1641年），这位游历大半中国的旅行家走到了生命的尽头，在他五十六岁的时候最后一次告别了亲友，告别了他钟情的奇山异水，也告别了他传奇式的一生。
又是三百多年过去，昔日旅行家的故事已流传到世界人民的口中，还在令人们惊叹不已。在江阴徐氏故居附近的徐氏宗祠晴山堂旧址里，人们访寻着徐霞客晚年亲自整理并嵌砌在砖壁上的诗文石刻。一批又一批的人们来到他的墓前，碑上所刻的字还清晰可见：“明高士霞客徐公之墓”。