Under udforskningen af Louisiana-købet sammen med Lewis og Clark blev han syg i slutningen af juli 1804. Den 31. juli skrev Floyd i sin dagbog: “Jeg er meget syg og har været det i nogen tid, men jeg er blevet rask igen”. Denne tilsyneladende bedring blev dog snart fulgt op af en alvorlig forværring. William Clark beskrev Floyds død som en død “med stor sindsro”, og at Floyd, inden han døde, sagde til Clark: “Jeg tager af sted. Skriv venligst et brev til mig.”
Der blev afholdt en begravelse, og Floyd blev begravet på en klippefremspring med udsigt over Missouri-floden. Ekspeditionen kaldte stedet Floyd’s Bluff til hans ære. De slog lejr den nat ved Floyd-flodens udmunding, “omkring 30 yards bred, en smuk aften.”
Clark diagnosticerede den tilstand, der førte til Floyds død, som galdekolik, selv om moderne læger og historikere mener, at Floyds død snarere var forårsaget af en sprængt blindtarm. Den korte “bedring”, som Floyd beskrev, kan have været udtryk for den midlertidige lindring, som organets sprængning gav, og som ville være blevet efterfulgt af en dødelig bughindebetændelse. Hvis det var tilfældet, ville han, fordi der ikke var nogen kendt kur mod blindtarmsbetændelse på det tidspunkt, ikke have været bedre stillet, hvis han havde været hos datidens bedste læger.