Alors qu’il explore l’achat de la Louisiane avec Lewis et Clark, il tombe malade à la fin du mois de juillet 1804. Le 31 juillet, Floyd écrit dans son journal : « Je suis très malade et l’ai été pendant un certain temps, mais j’ai retrouvé la santé. » Cependant, cette apparente guérison est bientôt suivie d’une grave aggravation de la situation. William Clark a décrit la mort de Floyd comme une mort » avec beaucoup de sang-froid » et qu’avant de mourir, Floyd a dit à Clark : » Je m’en vais. S’il te plaît, écris-moi une lettre. »
Des funérailles ont été organisées et Floyd a été enterré sur une falaise surplombant le fleuve Missouri. L’expédition a nommé l’endroit Floyd’s Bluff en son honneur. Ils campèrent cette nuit-là à l’embouchure de la rivière Floyd, « environ 30 mètres de large, une belle soirée.
Clark diagnostiqua la condition qui mena à la mort de Floyd comme étant une colique bilieuse, bien que les médecins et historiens modernes croient que la mort de Floyd était plus probablement causée par une rupture de l’appendice. Le bref « rétablissement » décrit par Floyd peut avoir représenté le soulagement temporaire apporté par l’éclatement de l’organe, qui aurait été suivi d’une péritonite fatale. Si tel était le cas, comme il n’y avait pas de remède connu pour l’appendicite à cette époque, il n’aurait pas été mieux loti s’il avait été avec les meilleurs médecins de l’époque.