Tijdens zijn verkenning van de Louisiana Purchase met Lewis en Clark, werd hij eind juli 1804 ziek. Op 31 juli schreef Floyd in zijn dagboek: “Ik ben erg ziek en ben dat al een tijdje, maar heb mijn gezondheid weer teruggevonden.” Dit schijnbare herstel werd echter al snel gevolgd door een ernstige verslechtering. William Clark beschreef de dood van Floyd als een “met veel kalmte” en dat hij voor Floyds dood tegen Clark zei: “Ik ga weg. Schrijf me alstublieft een brief.”
Er werd een begrafenis gehouden en Floyd werd begraven op een klif met uitzicht op de Missouri Rivier. De expeditie noemde de plaats Floyd’s Bluff ter ere van hem. Zij kampeerden die nacht aan de monding van de Floyd River, “ongeveer 30 yards breed, een prachtige avond.–“
Clark diagnosticeerde de aandoening die leidde tot Floyd’s overlijden als galziekte, hoewel moderne artsen en historici geloven dat Floyd’s dood waarschijnlijker werd veroorzaakt door een gescheurde blindedarm. Het korte “herstel” dat Floyd beschreef, kan de tijdelijke verlichting zijn geweest die de scheuring van het orgaan had veroorzaakt, en die gevolgd zou zijn door een fatale buikvliesontsteking. Als dat het geval zou zijn geweest, omdat er in die tijd geen genezing voor appendicitis bekend was, zou hij er niet beter aan toe zijn geweest als hij bij de beste artsen van die tijd was geweest.