Tin đồn về các hòn đảo chưa được khám phá ở tây bắc của Hispaniola đã đến tai Tây Ban Nha vào năm 1511 và được vua Ferdinand II xứ Aragon quan tâm. Trong khi người Bồ Đào Nha đã đạt được những thành tựu to lớn ở Ấn Độ Dương, thì người Tây Ban Nha đã đầu tư vào việc khám phá nội địa để tìm kiếm vàng và các tài nguyên quý giá. Các thành viên của những cuộc thám hiểm này, "conquistador", có xuất giá khác nhau bao gồm nghệ nhân, thương nhân, giáo sĩ, tiểu quý tộc và nô lệ tự do. Họ thường được cung cấp thiết bị của riêng họ để đổi lấy một phần lợi nhuận, không có mối liên hệ trực tiếp với quân đội hoàng gia và thường không có kinh nghiệm hoặc huấn luyện quân sự chuyên nghiệp.[60]

Ở châu Mỹ, người Tây Ban Nha đã tìm thấy nhiều đế chế rộng lớn và đông dân như ở châu Âu. Mặc cho quân số conquistador ít hơn, họ vẫn lật đổ được những liệt cường này. Trong thời kì này, đại dịch bệnh từ châu Âu như bệnh đậu mùa tàn phá dân cư bản địa. Sau khi chủ quyền của Tây Ban Nha được thiết lập, Tây Ban Nha tập trung vào việc khai thác và xuất khẩu vàng và bạc.

Năm 1512, để trao thưởng cho Juan Ponce de León vì đã khám phá Puerto Rico vào năm 1508, vua Ferdinand đã thúc giục ông khám phá những vùng đất mới này. Ông sẽ trở thành thống đốc của những vùng đất được khám phá, nhưng phải tự mình tài trợ cho tất cả các cuộc thám hiểm.[61] Với ba tàu và khoảng 200 người, Léon khởi hành từ Puerto Rico vào tháng 3 năm 1513. Vào tháng 4, họ nhìn thấy đất liền và đặt tên là La Florida, vì lúc đo là mùa Phục sinh (Florida), tin rằng nơi đây là một hòn đảo, được coi là châu Âu đầu tiên đặt chân lên lục địa. Địa điểm đặt chân đang bị tranh cãi giữa St. Augustine,[62] Ponce de León Inlet và Melbourne Beach. Họ tiến về phía nam và vào ngày 8 tháng 4 đã gặp một dòng chảy mạnh đến nỗi nó đẩy họ lùi lại: đây là cuộc chạm trán đầu tiên với dòng Hải lưu Gulf Stream, sau này sẽ cực kì quan trọng trong chuyến hành trình từ Ấn về Âu.[63] Họ tới tận Vịnh Biscayne, Dry Tortugas và sau đó đi thuyền về phía tây nam trong một nỗ lực để vòng qua Cuba để trở về, đến Grand Bahama vào tháng Bảy.

Cortés ở Mexico và Đế quốc Aztec

Năm 1517, thống đốc Velázquez de Cuéllar của Cuba cử một hạm đội dưới sự chỉ huy của Hernández de Córdoba đi khám phá bán đảo Yucatán. Họ đến bờ biển nơi người Maya chào đón họ, nhưng bị phục kích lúc ban đêm và chỉ còn một số ít quay trở về. Velázquez sau đó cử một đoàn thám hiểm khác do cháu trai ông Juan de Grijalva dẫn đầu, đi thuyền về phía nam dọc bờ biển tới Tabasco, lãnh thổ của đế quốc Aztec. Năm 1518, Velázquez đã trao cho thị trưởng thủ đô của Cuba, Hernán Cortés, một đoàn thám hiểm để bình định nội địa Mexico, nhưng do hiếm khích cũ giữa họ, đã khước từ lời đề nghị.

Vào tháng 2 năm 1519, Cortés vẫn khởi hành chống chế. Với khoảng 11 tàu, 500 người, 13 con ngựa và một số lượng nhỏ pháo cập bến Yucatán, lãnh thổ của người Maya,[64] tuyên bố giành đất cho vương miện Tây Ban Nha. Từ Trinidad, ông tiến tới Tabasco và giành chiến thắng trước người bản xứ. Ông được trao cho nữ nô lệ tên La Malinche, người tình tương lai của ông. Bà biết nói hai ngôn ngữ là tiếng Nahuatl (Aztec) và tiếng Maya, rồi trở thành một thông dịch viên và cố vấn có giá trị. Thông qua bà, Cortés biết về Đế quốc Aztec thịnh vượng.

Vào tháng 7, người của ông tiếp quản Veracruz và ông đặt mình dưới sự chỉ huy trực tiếp của vị vua mới Charles I của Tây Ban Nha.[121] Tại đó, Cortés đã yêu cầu một cuộc gặp với Hoàng đế Aztec Montezuma II, người liên tục khước từ. Họ tiến đến Tenochtitlan và trên đường lập liên minh với nhiều bộ lạc và thành bang. Vào tháng 10, sáp nhập với khoảng 3.000 quân Tlaxcaltec, hành quân đến Cholula, thành bang lớn thứ hai tại miền trung Mexico. Để gieo rắc nỗi sợ và răn đe những kẻ chống đối, ông cho hành quyết hàng ngàn quý tộc và cho đốt một phần thành phố.

Đến Tenochtitlan, vào ngày 8 tháng 11, họ được Moctezuma II đón tiếp tử tế, cố tình cho Cortés vào trung tâm của Đế quốc Aztec, hy vọng để hiểu rõ họ hơn và đánh bại họ sau này.[64] Hoàng đế dâng tặng họ những món quà xa hoa bằng vàng, thứ đã lôi kéo họ cướp bóc số lượng lớn. Trong những bức thư gửi cho vua Charles, Cortés tuyên bố rằng ông được người Aztec coi là một sứ giả của vị thần rắn có lông Quetzalcoatl hoặc chính là vị Quetzalcoatl-một điều gây tranh cãi trong cộng đồng sử gia hiện đại.[65] Hay tin quân Aztec đánh úp người của Cortés trên bờ biển, Cortés bắt giữ Hoàng đế làm con tin và đòi tiền chuộc để dâng về cho vua Charles.

Trong khi đó, Velasquez đã gửi một đoàn thám hiểm khác, dẫn đầu bởi Pánfilo de Narváez đi bắt Cortès, đến Mexico vào tháng 4 năm 1520 với 1.100 người.[64] Cortés để lại 200 người ở Tenochtitlan và mang phần còn lại đối đầu với Narvaez. Cortés chiến thắng và thuyết phục những người còn lại tham gia cùng ông. Ở Tenochtitlán, một trong số các trung úy của Cortés thảm sát quý tộc Aztec tại Đền Lớn, khiến dân địa phương nổi dậy. Cortés nhanh chóng quay trở lại, cố gắng thuyết phục Moctezuma nhưng hoàng đế Aztec đã bị giết, có thể đã bị thần dân của chính mình ném đá đến chết.[66] Quân Tây Ban Nha tháo chạy về Tlaxcaltec trong sự kiện Noche Triste (Đêm Sầu) với thương vong lớn. Phần lớn kho báu bị cướp phá bị đánh rơi trong cuộc chạy trốn.[64] Sau trận Otumba, họ đến Tlaxcala, mất 870 người.[64] Sau khi có được sự trợ giúp của các đồng minh và quân tiếp viện từ Cuba, Cortés vây hãm Tenochtitlán và bắt Cuauhtémoc vào tháng 8 năm 1521. Ông giải thể Đế quốc Aztec, tuyên bố chủ quyền của Tây Ban Nha, đổi tên thành Thành phố Mexico.

Pizarro ở Peru và Đế quốc Inca

Nỗ lực đầu tiên để khám phá miền tây Nam Mỹ là vào năm 1522 bởi Pascual de Andagoya. Người Nam Mỹ bản địa kể với ông về một đất nước thịnh vượng trên một con sông tên là Pirú. Đến sông San Juan (Colombia), Andagoya đổ bệnh và trở về Panama, nơi ông lan truyền tin tức về "Pirú", thành phố El Dorado huyền thoại. Những tin tức này, cùng với các cuộc chinh phạt mới đây của Hernán Cortés, đã thu hút sự chú ý của Pizarro.

Francisco Pizarro đã đi cùng Balboa trong chuyến vượt qua eo đất Panama. Năm 1524, ông thiết lập quan hệ đối tác với linh mục Hernando de Luque và người lính Diego de Almagro để khám phá miền nam, đồng ý chia lợi nhuận. Họ đặt tên cho cuộc viễn chinh là "Empresa del Levante": Pizarro sẽ chỉ huy, Almagro sẽ cung cấp quân lực và thực phẩm, và Luque sẽ chịu trách nhiệm về tài chính và các đồ tiếp tế bổ sung.

Vào ngày 13 tháng 9 năm 1524, chuyến thám hiểm đầu tiên trong ba cuộc hành trình chinh phục Peru gồm khoảng 80 người và 40 con ngựa. Cuộc thám hiểm là một thất bại, mới tới Colombia trước khi chịu thua trước thời tiết xấu, đói và giao tranh với người dân bản địa thù địch, nơi Almagro bị mất một mắt. Các địa danh được đặt dọc theo tuyến đường của họ, Puerto deseado (cảng mong muốn), Puerto del hambre (cảng đói) và Puerto quemado (cảng bị đốt cháy), chứng thực cho những khó khăn trong hành trình của họ. Hai năm sau, họ bắt đầu một cuộc thám hiểm thứ hai với sự cho phép miễn cưỡng từ Thống đốc Panama. Vào tháng 8 năm 1526, họ rời đi với hai chiếc tàu, 160 người và nhiều con ngựa. Khi đến sông San Juan, họ tách ra, Pizarro ở lại để khám phá bờ biển đầm lầy và Almagro gửi trở lại để tiếp viện. Thuyền trưởng chính của Pizarro đi thuyền về phía nam và sau khi băng qua đường xích đạo, đã chiếm được một chiếc bè từ Tumbes. Trước sự ngạc nhiên của họ, nó mang theo hàng dệt may, gốm và vàng, bạc và ngọc lục bảo, tâm điểm của cuộc thám hiểm. Chẳng mấy chốc, Almagro đã mang theo quân tiếp viện và họ lại tiếp tục. Sau một chuyến đi khó khăn phải đối mặt với những cơn gió và dòng chảy mạnh, họ đến Atacames nơi tìm thấy một dân số bản địa lớn dưới sự cai trị của Inca.

Pizarro vẫn an toàn gần bờ biển, trong khi Almagro và Luque quay trở lại mang thêm tiếp viện với bằng chứng về vàng được đồn đại. Thống đốc mới khước từ một cuộc thám hiểm thứ ba và ra lệnh cho hai tàu đưa tất cả mọi người trở lại Panama. Almagro và Luque nắm bắt cơ hội để gia nhập Pizarro. Khi họ đến Isla de Gallo, Pizarro đã vẽ một đường trên cát, nói: "Peru đó với sự giàu có của nó; Đây, Panama với sự nghèo khó của nó. Hãy chọn, mỗi người, điều tốt nhất để trở thành một người Castilia dũng cảm." Mười ba người đàn ông quyết định ở lại và được gọi là The Famous Thirteen. Họ hướng đến La Isla Gorgona, nơi họ ở lại bảy tháng chờ đồ tiếp tế.

Họ quyết định đi thuyền về phía nam và đến tháng 4 năm 1528, đã đến Vùng Tumbes phía tây bắc Peru và được người Tumpis địa phương đón chào nồng nhiệt. Hai người của Pizarro đã báo cáo sự giàu có đáng kinh ngạc, bao gồm cả đồ trang trí bằng vàng và bạc xung quanh nhà của tù trưởng. Lần đầu tiên họ nhìn thấy một con llama mà Pizarro gọi là "những con lạc đà nhỏ". Người bản địa đặt tên cho người Tây Ban Nha là "Những đứa trẻ của Mặt trời" vì nước da trắng và những chiếc áo giáp rực rỡ mà họ mặc. Sau đó, họ quyết định trở về Panama để chuẩn bị một chuyến thám hiểm cuối cùng. Trước khi rời đi, họ đi thuyền về phía nam qua các vùng lãnh thổ mà họ đặt tên là Cabo Blanco, cảng Payta, Sechura, Punta de Aguja, Santa Cruz và Trujillo, đạt đến 9 độ nam.

Vào mùa xuân năm 1528, Pizarro đi thuyền đến Tây Ban Nha, nơi ông diện kiến vua Charles I. Nhà vua đã nghe về những chuyến thám hiểm của ông ở vùng đất giàu vàng và bạc và hứa sẽ trợ cấp cho ông. Capitulación de Toledo[67] ủy quyền cho Pizarro tiến hành cuộc chinh phạt Peru. Pizarro sau đó đã có thể thuyết phục được nhiều bạn bè và người thân tham gia: anh em của ông là Hernándo Pizarro, Juan Pizarro, Gonzalo Pizarro và cả Francisco de Orellana, người sau này sẽ khám phá sông Amazon, cũng như người anh em họ Pedro Pizarro.

Chuyến thám hiểm thứ ba và cuối cùng của Pizarro rời từ Panama đến Peru vào ngày 27 tháng 12 năm 1530. Với ba tàu và 180 người, họ xuống thuyền gần Ecuador và đi thuyền đến Tumbes, thấy rằng nơi này đã bị phá hủy. Họ tiến vào sâu trong nội địa và thành lập khu định cư Tây Ban Nha đầu tiên ở Peru, San Miguel de Piura. Một trong những người đã trở lại với một phái viên Inca và lời mời cho một cuộc họp. Kể từ lần trước, đế quốc Inca đang chìm trong cuộc nội chiến và Atahualpa đang ở miền bắc Peru sau khi đánh bại anh trai là Huáscar. Sau khi hành quân được hai tháng, họ tiếp cận Atahualpa. Tuy nhiên, ông từ chối người Tây Ban Nha, nói rằng ông sẽ "không quy thuận bất kỳ ai". Người Tây Ban Nha có 200 quân đối đầu với 80.000 quân Inca. Tuy bị áp đảo, Pizarro chiến thắng trận Cajamarca, bắt sống Atahualpa và đòi tiền chuộc. Mặc dù đã thực hiện lời hứa vàng lấp đầy một phòng và bạc lấp đầy hai phòng, ông bị kết án vì giết anh trai và âm mưu chống lại Pizarro, bị đem ra xử tử.

Năm 1533, Pizarro đánh chiếm Cuzco bằng quân bản địa và viết cho vua Charles I: "Thành phố này có thể coi là vĩ đại nhất và đẹp nhất ở đất nước này hoặc bất cứ nơi nào ở Ấn Độ... nó quả thật rất đẹp và có những tòa nhà lộng lẫy đến mức nó sẽ nổi bật ngay cả ở Tây Ban Nha." Sau khi người Tây Ban Nha hoàn thành cuộc chinh phạt Peru, Jauja tại Thung lũng Mantaro màu mỡ được thành lập làm thủ đô tạm thời của Peru, nhưng do ở trên núi, không thuận tiện việc đi lại, Pizarro thay vào đó cho thành lập Lima vào ngày 18 tháng 1 năm 1535, mà Pizarro coi là thành tựu đáng nhớ nhất trong cuộc đời ông.