2月，小猎犬号再次出发，1836年10月返航。舰上配备的博物学家就是后来创立进化论的查尔斯·达尔文。脾气暴躁的菲茨罗伊与达尔文时有冲突，但仍支持后者考察安第斯山脉和加拉帕戈斯群岛。此后三年菲茨罗伊忙于整理4卷调查报告，其中第3卷由达尔文执笔，即是《小猎犬号航海记》。
新西兰总督.1843年，由于他在航海方面取得的成绩，英国国会任命其为新西兰总督。菲茨罗伊主张让毛利人享有与英国移民同等的土地使用权，以化解种族冲突，却遭致英国殖民部的强烈反对。1845年他被召回国，1850年正式去职。