第三阶段：“西南万里征”——最后的壮游（1636-1640）
崇祯九年（1636年） 50岁，开启人生中最后一次，也是时间最长、历程最艰险的远征。 此行旨在考察中国西南的喀斯特地貌和长江源流。同行者有静闻和尚和仆人顾行。从江阴出发，经浙江、江西。
崇祯十年（1637年） 深入湖南、广西。
在湖南，同伴静闻和尚于湘江遇盗受伤后病逝，徐霞客背负其骨灰，履行将其送往云南鸡足山安葬的诺言。
在广西，他进行了长达数月的详细考察，探访了桂林、阳朔的漓江山水，深入考察了七星岩、伏波岩等上百个喀斯特溶洞，对其形态、结构进行了世界地质史上开创性的科学描述。
崇祯十一年（1638年）进入贵州，抵达云南。经贵州独山、都匀、盘县等地进入云南。在云南，他广泛游历，重点考察了滇东和滇南的喀斯特地貌，如探访泸西阿庐古洞、建水燕子洞等。年底，抵达鸡足山，在悉檀寺安葬了静闻和尚的骨灰，了却心愿。
崇祯十二年（1639年）深入滇西，探寻江源。 这是他考察的巅峰之年。他系统考察了丽江、大理地区，登苍山，游洱海。
最重要的成就是，他冒着生命危险，深入滇西瘴疠之地，追踪澜沧江、怒江和金沙江的流向。通过实地勘察，他首次明确提出金沙江是长江的正源，否定了自《禹贡》以来“岷山导江”的千年旧说。这是中国地理学史上的一个里程碑。
期间，他因足疾无法行走，受丽江木士司资助并派人护送，在鸡足山修志。
崇祯十三年（1640年） 重病东归。 在云南考察期间，因长期风餐露宿，身患重病（可能为足疾恶化并感染足疾），双足俱废。云南地方官念其功绩，派人用滑竿历时150余天，将其护送回江阴老家。
第四阶段：晚年与身后名（1641-至今）
崇祯十四年（1641年） 正月，病逝于江阴家中，享年54岁。临终前，其病榻旁仍摆放着旅途采集的岩石标本。
他的游记手稿由友人王忠纫、季梦良等整理，但其后因战乱散佚甚多。经后人搜集，现存《徐霞客游记》约60余万字，仅为原稿的六分之一。
《徐霞客游记》 被誉为“明末社会的百科全书”，既是系统考察中国地貌地质的地理名着，又是描绘华夏风景资源的旅游巨篇，也是文字优美的文学佳作。他在石灰岩地貌（喀斯特地貌）研究方面的贡献，比西方早了一百五十余年。
后世尊称他为“游圣”，其不畏艰险、求真探索的科学精神，至今仍被世人景仰。