在西欧，葡萄牙首先发起了大规模的航海探险活动。15世纪早期，航海家恩里克王子创办地理研究机构，为取得黄金、象牙和奴隶，组织了多次非洲西岸的探险活动，先后发现了马德拉岛、佛得角群岛，并从直布罗陀沿非洲西海岸到达几内亚湾。1473年，葡萄牙船只驶过赤道，后达到刚果河口；1487年，迪亚斯的探险队到达非洲南端，发现好望角，并进入印度洋；1497年，以达迦马为首的船队沿迪亚斯航线继续向前，经非洲东岸的莫桑比克、肯尼亚，于1498年到印度西南部的卡利卡特，开辟了从大西洋绕非洲南端到印度的航线，从而打破了阿拉伯人控制印度洋航路的局面。葡萄牙通过新航路，垄断了欧洲对东亚、南亚的贸易，成为海上强国。
与葡萄牙人探寻新航路的同时，西班牙统治者也极力从事海外扩张。哥伦布发现美洲，就是这种扩张的最重要收获。哥伦布相信大地球形说，认为从欧洲西航可达东方的印度和中国。（该计划曾向葡萄牙政府提出过，但却被否认了，认为我们只要有一条线路就够了）哥伦布的西航计划得到西班牙国王和王后的支持。1492年，他携带着西班牙国王和王后致中国皇帝的国书，率领船队从帕洛斯港出发，经加那利群岛后向西航行，先后到达巴哈马群岛和古巴、海地等岛。但是，哥伦布误以为巴哈马群岛是印度的辖地，把当地土著居民称为印第安人，并误认为古巴是中国的一个省。1493～1496、1498～1500和1502～1504年，哥伦布又进行了第二、第三和第四次航行，先后发现了多米尼加、波多黎各、牙买加、特立尼达等岛屿，以及由洪都拉斯到巴拿马的海岸。第三次航行中在帕里亚湾首次登上美洲大陆。哥伦布至死也没意识到，他发现的这些地方并非中国和印度，而是一块新大陆。后来，意大利探险家亚美利哥·韦斯普奇到达美洲，才认识到这是一个新大陆。在人们认识到大西洋西岸的陆地并非亚洲，而是一个新大陆后，人们的地理视野扩大了。1513年，西班牙探险家巴尔鲍亚越过巴拿马地峡，看到了西南面的大海，他把这片海域称为“南海”(今太平洋)。为了到达亚洲，人们努力寻找沟通大西洋和“南海”的海峡，或者象好望角那样的地角。基于这种愿望，葡萄牙航海家麦哲伦在西班牙国王查理一世的支持下，开始了新的航海探险活动。麦哲伦曾经参加葡萄牙远征队，到过非洲、印度、苏门答腊、爪哇、班达群岛和马六甲海峡等地。他相信大地球形说。1519年麦哲伦率船队，从西班牙的桑卢卡尔港出发，经加那利群岛，到达南美东岸以后，即沿海南下，在南美大陆和火地岛之间，穿过后来以他的名字命名的海峡，进入“南海”。起初向西北，后转向西航。船队在航行中从未遇到风暴，即把该海域称为太平洋。1521年船队到达菲律宾群岛，麦哲伦在与当地土著人的冲突中被杀。1522年麦哲伦船队剩下的“维多利亚”号返回桑卢卡尔港，完成环球航行。
发现新大陆后，欧洲至印度、印度尼西亚、中国和美洲的最有利的通商航路都被西班牙和葡萄牙所占据。荷兰、英国等为发展海上贸易，开始在高纬度地区寻找通往印度和中国的新航路，并探险世界其他地区。16世纪，荷兰的巴伦支为探寻一条由北方通向中国和印度的航线，曾三次航行北冰洋地区，先后发现熊岛、斯匹次卑尔根岛，并到达新地岛最北端、喀拉海和瓦加奇岛；17世纪初，英国的哈得逊曾屡次探索经北冰洋通向中国的航路；斯霍特于1616年到达美洲南端的合恩角；荷兰的塔斯曼于1642～1643年环航澳大利亚，发现新西兰和塔斯马尼亚岛。这些航海探险进一步扩大了人类的地理知识，并进行了一些有关洋流、风系等的科学考察以及岛屿和陆地的实测工作。到了18世纪，库克的海洋探险已属于科学考察的范畴。