En juillet 1780, il part pour la Hollande et visite dans les mois qui suivent plusieurs collections d’histoire naturelle à Leiden, Haarlem, La Haye et Rotterdam. Il rencontre à Amsterdam Jacob Temminck, trésorier de la Compagnie néerlandaise des Indes orientales, qui l’encourage et facilite son départ pour l’Afrique du Sud.

François Levaillant arrive au Cap le 14 avril 1781 et en repartira trois ans plus tard le 14 juillet 1784. Au cours de ce long séjour en Afrique australe, il mène deux voyages dans l’intérieur du continent à partir de sa ville d’attache. Le premier (1781-83), vers l’est, le conduit par la côte jusqu’à l’actuel Port Elisabeth puis vers le Nord, jusqu’au massif du Sneuwberg avant de parcourir au retour les étendues désertiques du Grand Karoo. Le second (1783-84), vers le nord, en direction du fleuve Orange, l’amène à traverser l’ouest de la Colonie du Cap et à explorer le Namaqualand.