В июле 1801 года Флиндерс на корабле «Инвестигейтор» вышел из Англии для обследования берегов Австралии. Высадившись 6 декабря 1801 года у мыса Луин, на юго-западной оконечности Австралии, он прошел на восток вдоль берега Земли Нейтса, ранее уже обследованной Ванкувером и д'Антркасто, и вошел в воды, омывающие еще неведомые берега юго-восточной Австралии. На 35°50 южной широты, за мысом Катастроф (здесь разбилась одна из шлюпок «Инвестигейтора»), Флиндерс обнаружил разрыв в линии берега, который оказался входом в большой воронкообразный залив. Флиндерс прошел в глубь этого залива (он назвал его заливом Спенсер), нанес на карту его западный и восточный берега и открыл за узким и длинным полуостровом Йорк еще один залив, который назван был заливом Сент-Винсент. Эти открытия имели огромное значение. На южном берегу Австралии были обнаружены глубоко вдающиеся в сушу заливы с обширными и удобными гаванями. В заливе Сент-Винсент, тридцать два года спустя, был основан город Аделаида — столица Южной Австралии и один из крупнейших портов пятого материка.
Флиндерс установил, что берега заливов Спенсер и Сент-Винсент обитаемы. Он описал аборигенов, живших по берегам залива Спенсер, похожих на обитателей Нового Южного Уэльса. Кое-где на побережье встречались эвкалиптовые и казуариновые леса, пресную воду легко было добыть из неглубоких колодцев, климат казался превосходным, и моряков совершенно не донимали насекомые, как на западных берегах Австралии. Очень часто попадались кенгуру и великолепные черные лебеди. У берегов материка Флиндерс открыл множество островов (острова Инвестигейтор, Грин, Пирсон, Уорд и др.) и нанес на карту северный берег большого острова Кенгуру.
От залива Энкаунтер (бухты Встречи — здесь Флиндерс встретил французский корабль «Географ» под командой Никола Бодена). «Инвестигейтор» направился в Порт-Джексон, куда прибыл 9 мая 1802 года. 22 июля того же года Флиндерс вышел из Порт-Джексона и обследовал все восточное побережье Австралии вплоть до мыса Йорк, нанес на карту Большой Барьерный риф, а затем прошел в залив Карпентария и в самой глубине его открыл группы островов Уэлсли и Сэр-Эдуард Пелью. Флиндерс окончательно доказал, что Карпентария — это залив, глубоко врезанный в материк. Флиндерс открыл в Торресовом проливе проход, расположенный севернее острова Принца Уэльского; проход этот оказался безопаснее пролива Эндевор, которым в 1770 году Кук проследовал из Кораллового моря к берегам Новой Гвинеи.
Флиндерсу было двадцать восемь лет, когда завершилась эта экспедиция. Но в дальнейшем судьба не баловала его. Со всеми своими материалами он в июле 1803 года отправился из Порт-Джексона в Англию. Корабль, на котором Флиндерс плыл в качестве пассажира, разбился у Большого Барьерного рифа. Флиндерс прошел на шлюпке 800 миль, добрался до Порт-Джексона, снарядил там судно и спас затем всех потерпевших кораблекрушение.
На пути в Европу в декабре 1803 года он зашел на остров Маврикия — французскую колонию в Индийском океане, не ведая о том, что наполеоновская Франция после кратковременного мира вступила в войну с Англией. Флиндерс был арестован, и все его бумаги французские власти конфисковали. Он протомился на Маврикии шесть с половиной лет и в конце 1810 года возвратился в Англию. Французы не только продержали Флиндерса в плену, но и без его ведома использовали конфискованные материалы последней экспедиции.
В 1812 году Флиндерс провел весьма удачное исследование влияния судового железа на показания компаса. Итогом всей его деятельности явился четырехтомный труд «Путешествие к Terra Australis». Флиндерс умер в День выхода в свет этой книги, 14 июля 1814 года.
Современное название пятого материка непосредственно связано с именем Флиндерса. В своей книге «Путешествие к Terra Australis» он писал, «…не будь я скован названием Terra Australis, я заменил бы его другим термином — Австралия». А сводную карту, приложенную к этой книге, Флиндерс озаглавил: «Генеральная карта Terra Australis, или Австралии». После выхода в свет книги Флиндерса название Австралия быстро стало популярным. Губернатор Нового Южного Уэльса Макуори с 1817 года начал применять этот термин в официальной переписке, а с 1824 года название Австралия окончательно вытеснило с карт старое обозначение — Новая Голландия.
Отдавая должное Флиндерсу, за которым следует признать право приоритета на новое название пятого материка, нельзя, однако, не отметить, что задолго до Флиндерса почти таким же образом окрестил свой мифический материк Кирос (Tierra Austral del Espiritu Santo). По отношению к собственно австралийской территории термин Австралия впервые был использован выдающимся голландским картографом Хесселем Герритсом в 20-х годах XVII века. Он назвал огромную и еще совершенно не обследованную землю Astralis Incognita. Голландцы, однако, предпочли названия Зейдландт и Новая Голландия.