Bates og Wallace var svært interesserte i naturhistorie, og spesielt i Amazonas-området. Sammen begynte de to i 1847 å planlegge en ekspedisjon til Amazonas for å studere naturen der, og spesielt for å smale materiale for å forstå problemet med artenes opprinnelse - dette var før Charles Darwin hadde fortalt andre enn noen ganske få fortrolige at han også arbeidet med dette problemet. Ekspedisjonen skulle finansieres ved å selge naturhistorisk materiale som de samlet inn, de skrev kontrakt med en agent i London som skulle selge materialet mot et vederlag. De samlet også inn "ønskelister" på materiale fra museer og store privatsamlere. Bates og Wallace reiste ut fra Liverpool i april 1848 og kom fram til det nåværende Belém i Brasil i slutten av mai. De samlet insekter og fugler sammen rundt Belém det første året, skilte så lag for å samle hver for seg. Bates arbeidet seg oppover langs Amazonas/Solimōes-elven. I fire og et halvt år arbeidet han ut fra Tefé. Helsen hans ble i denne perioden gradvis dårligere og han reiste derfor tilbake til England, som han senere aldri forlot, i 1859. Da Wallace reiste hjem i 1852, hadde han mistet praktisk talt hele sine samlinger på grunn av en brann i skipet han var på. Bates garderte seg mot dette ved å fordele samlingene sine på tre skip, som alle kon vel fram. Tilbake i England skrev han reiseskildringen som ble svært populær og fortsett regnes som en klassiker innen naturhistorie. Bates samlet nær 15 000 arter i Brasil, for det meste insekter, omtrent 8000 av disse var nye for vitenskapen.