Mientras exploraba la Compra de Luisiana con Lewis y Clark, enfermó a finales de julio de 1804. El 31 de julio, Floyd escribió en su diario: «Estoy muy enfermo y lo he estado durante algún tiempo, pero he recuperado mi salud de nuevo». Sin embargo, a esta aparente recuperación le siguió pronto un grave empeoramiento. William Clark describió la muerte de Floyd como una muerte «con mucha compostura» y que antes de morir le dijo a Clark: «Me voy. Por favor, escríbeme una carta»
Se celebró un funeral y Floyd fue enterrado en un acantilado con vistas al río Misuri. La expedición llamó al lugar Floyd’s Bluff en su honor. Esa noche acamparon en la desembocadura del río Floyd, «a unas 30 yardas de ancho, una hermosa noche…»
Clark diagnosticó que la condición que llevó a la muerte de Floyd fue un cólico bilioso, aunque los médicos e historiadores modernos creen que la muerte de Floyd fue más probablemente causada por una ruptura del apéndice. La breve «recuperación» que describió Floyd puede haber representado el alivio temporal que supuso la rotura del órgano, a la que habría seguido una peritonitis fatal. Si ese fuera el caso, dado que en aquella época no se conocía ninguna cura para la apendicitis, no habría estado mejor si hubiera estado con los mejores médicos de la época.