Компаньоны считали, что острова лежат в той части Земли, которая по знаменитой папской булле 1493 г. Inter cetera принадлежит Испании. Чтобы не вызвать подозрений португальцев, проникнуть к ним следовало западным путем, пройдя из Атлантического в Тихий океан через проход, который, как считал Магеллан, находится к югу от Бразилии. С этим планом они с Фалейру в марте 1518 г. и обратились в Совет Индий, требуя для себя в случае успеха предприятия тех же прав и преимуществ, которые оговаривал Колумб. После длительных переговоров проект был принят, и Карл I (он же немецкий король Карл V) обязался снарядить 5 кораблей и выделить припасы на два года. В случае открытия новых земель компаньонам предоставлялось право стать их правителями. Они получали 20 % доходов. При этом права должны были передаваться по наследству. Но вскоре Фалейру, сославшись на плохой гороскоп, отказался от участия в экспедиции. Таким образом, Магеллан стал ее единоличным начальником и организатором.
20 сентября 1519 г. корабли «Тринидад», «Сан-Антонио», «Консепсьон», «Виктория» и «Сантьяго» покинули Сан-Лукар в устье Гвадалквивира, имея на борту 293 человека экипажа и еще 26 его внештатных членов. Среди них был и Антонио Пигафетта, ставший летописцем экспедиции. Флагманским кораблем был определен «Тринидад».
Описание плавания существует во множестве вариантов. Широко известно об огнях по берегам земли, получившей название Огненная (правильнее «Земля огня» – Тьерра-дель-Фуэго), почему Тихий океан стал Тихим, а патагонцы носят название, которое в переводе означает «большеногие», об открытии Магеллановых облаков (экспедиция совершила открытия не только на земле, но и на небе) и др. В кратком же изложении маршрут экспедиции выглядит следующим образом: 26 сентября флотилия подошла к Канарским островам, 29 ноября достигла бухты Рио-де-Жанейро, а 10 января 1520 г. – устья Ла-Платы, крайней точки известного тогда побережья. Отсюда Магеллан направил «Сантьяго» вверх по течению реки, чтобы проверить, не здесь ли находится проход в Южное море. После возвращения корабля экспедиция двинулась на юг, причем переходы осуществляли только днем и как можно ближе к суше, чтобы не пропустить пролива. Зиму провели в бухте Сан-Хулиан у берегов Патагонии (49° ю. ш.), куда вошли 31 марта. Здесь Магеллан пережил серьезное испытание. На трех кораблях вспыхнул бунт. Экипажи требовали повернуть к мысу Доброй Надежды и идти к Молуккам традиционным путем. Бунт удалось подавить благодаря решительности адмирала и преданности части его спутников. С мятежными капитанами обошлись беспощадно: одного казнили, тело другого, погибшего, четвертовали, а третьего высадили на пустынный берег вместе с заговорщиком-священником. Но матросов Магеллан наказывать не стал.
24 августа зимовка окончилась. Флотилия вышла из бухты Сан-Хулиан и двинулась дальше вдоль побережья, а 21 октября 1520 г. моряки увидели долгожданный пролив, ведущий на запад. Но адмирал еще сомневался, боясь, что перед ним очередной залив, и выслал вперед два корабля, которые вернулись через три дня с известием, «что видели мыс и открытое море». Еще некоторое время провели в этих водах, изучая узкие проливы, каналы и заливы, и потеряли «Сан-Антонио». Магеллан так и не узнал, что команда корабля взбунтовалась, капитана ранили и заковали в кандалы, а затем повернули корабль в Испанию. На родине вновь прибывшие обвинили адмирала в предательстве. Семью Магеллана лишили казенного пособия. Его жена и дети вскоре умерли в нищете.
Флотилия же двинулась дальше вдоль северного берега пролива, который Магеллан назвал Патагонским (позднее на картах он будет обозначаться как Магелланов), обогнула мыс Фроуорд (53°54’ ю. ш.) – самую южную точку материка и еще пять дней шла проливом в окружении мрачных высоких берегов, южный из которых был Огненной землей, а 28 ноября 1520 г. моряки увидели открытый океан. Проход из Атлантического в Тихий океан, который тщетно искал Колумб, наконец был найден.
Три оставшихся корабля флотилии (кроме дезертировавшего «Сан-Антонио», потеряли разбившийся о скалы «Сантьяго») сначала шли на север в 100 км от скалистого побережья, стремясь покинуть холодные воды, в середине декабря от о. Мога (38°30’ ю. ш.) повернули на северо-запад, а чуть позже – на запад-северо-запад. За время пути через океан были открыты многие острова, но неточные исчисления не позволяют отождествить их с какими-либо конкретными точками на карте. А вот открытие в начале марта островов Гуама и Рота, самых южных из группы Марианских и названных Магелланом «Разбойничьими», можно считать доказанным. Островитяне похитили у путешественников лодку, и Магеллан, высадившись с отрядом на берег, сжег несколько хижин и лодок. Погибло несколько туземцев.