В 1850–1851 гг. Гальтон предпринял экспедицию в Африку, которая в отличие от его предыдущих, по сути туристических вояжей носила исследовательский характер. Экспедиция длилась около двух лет, было пройдено 1700 миль по труднодоступным и малоизученным районам. В ходе путешествия Гальтон собрал ценные материалы для своих евгенических размышлений последующих лет.
По возвращении он опубликовал книгу «Рассказ исследователя тропической Южной Африки», которая была оценена научной общественностью очень высоко. В 1854 г. Географическое общество наградило Гальтона золотой медалью, а в 1856 г. Королевское общество (Академия наук) избрало его своим членом. Чарлз Дарвин также весьма одобрительно отозвался о книге своего кузена.
В 1853 г. Гальтон познакомился с Луизой Батлер и в августе того же года женился на ней. В результате этого события его жизнь приобрела упорядоченность и устойчивость. Дальних путешествий он больше не предпринимал, хотя до самой старости выезжал с женой в разные страны Европы. Гальтон пережил жену на 14 лет. Брак их остался бездетным.
Отчасти в связи с новым укладом жизни упорядочилась и его научная деятельность. Важно отметить, что он был материально вполне обеспечен и работать ради заработка ему не приходилось, поэтому все силы он отдавал науке.
В брошюре Ю.А. Филипченко, вышедшей в 1925 г., отмечается аналогия между главными событиями жизни Гальтона и его родственника Чарлза Дарвина. Оба намеревались стать врачами. Но не осуществили это намерение. В возрасте до 30 лет оба предприняли большое научное путешествие, а потом женились и, перейдя к более основательному образу жизни, целиком предались науке, будучи при этом вполне обеспеченными людьми. Наконец, оба сравнительно поздно выступили со своими главными сочинениями: «Наследственный гений» Гальтона впервые увидел свет, когда автору было 47 лет, «Происхождение видов» было опубликовано пятидесятилетним Дарвином.
Но были, разумеется, и отличия. Дарвин жил уединенно, Гальтон постоянно общался со многими учеными, что благотворно отражалось на его научной работе.
После возращения из Африки Гальтон в течение нескольких лет занимался научно-практическими разработками в различных областях, ни одной не отдавая предпочтения.
Свой опыт путешественника он изложил в книге «Искусство путешествовать» (1855), представляющей собой практическое руководство по организации дальних странствий. Книга имела большой успех. В 1872 г. появилось уже пятое ее издание. А в 1855 г. на ее основе Гальтон подготовил цикл лекций для английских офицеров. Это было вызвано тем, что, когда в 1855 г. английские войска высадились в Крыму, они столкнулись со множеством бытовых трудностей. Рекомендации Гальтона, касавшиеся походного снаряжения, медицинских средств, разведения огня и т. п., оказались весьма полезными.
С Крымской войной связано и изобретение Гальтоном прибора, названного им «гелиостат», или «алтископ». Это был карманный прибор, позволявший вести наблюдение из укрытия – через стену или через головы толпы. По сути это был аналог перископа. Неизвестно, однако, возник ли перископ под влиянием изобретения Гальтона, либо он был создан независимо от него.
В эти же годы ученый активно занимался климатологией и метеорологией. Он был первым, кто стал публиковать метеорологические карты Европы, обозначая на них осадки, облачность, направление ветра. В 1863 г. им был создан атлас под названием «Метеорографика, или Методы нанесения погоды на карту». Занятия этими вопросами привели его к важному открытию. В его время было известно явление циклона, центр которого отличается низким давлением. Гальтон установил наличие центров с высоким давлением и центробежным движением воздуха по направлению часовой стрелки. Эту систему, противоположную циклону, он назвал «антициклон». Данное понятие сохранилось в метеорологии по сей день.
Страсть Гальтона к созданию новых приборов и приспособлений проявилась и в этой области. Он разработал своеобразные приборы для получения метеорологических карт и чертежей, а кроме того – «волновую машину» для использования энергии морских волн.
Однако основные интересы ученого лежали в иной области. Главной сферой его научных изысканий явилось исследование человеческих способностей.
Фундаментальный труд «Наследственный гений» увидел свет в 1869 году. Ему предшествовали несколько статей аналогичного содержания.