Etter krigen vendte Fawcett tilbake til Brasil for å studere lokalt dyreliv og arkeologi. I 1925 forsvant Fawcett sammen med sin eldste sønn under ukjente omstendigheter under en ekspedisjon for å finne den mytiske forsvunne byen El Dorado, eller The city of Z, i den store uutforskede jungelen i Brasil. Sannsynligvis døde de av naturlige årsaker i den brasilianske jungelen, men blant diverse rykter om omstendighetene rundt forsvinningene er det en teori om at Fawcett ble drept av indianere eller ville dyr, eller at han mistet hukommelsen og levde resten av sitt liv som sjef for en stamme av kannibaler.