I 1882 lette han i sultanens oppdrag ved elven Ruvuma (i dagens Tanzania) etter kull, uten resultat. I 1883 begynte Thomson på oppdrag fra det kongelige britiske geografiske selskap en ekspedisjon fra Afrikas østre kystlinje til Victoriasjøen. Kjøpmenn fra det britiske imperium var interesserte av en handelsvei uten stridslystne masaier eller konkurrerende tyskere. Thomsons ekspedisjon begynte bare noen måneder etter den rivaliserende tyske ekspedisjonen under Gustav Adolf Fischer. Forskningsreisen viste at veien var farbar og de gjorde mange nyttige biologiske, geologiske og etnografiske observasjoner. Thomson selv hadde en viss uflaks da hans forsøk på å bestige Kilimanjaro mislyktes før første dag var omme, og senere ble han stanget av en bøffel og rammet av malaria og dysenteri.