În timp ce explora Cumpărarea Louisianei cu Lewis și Clark, s-a îmbolnăvit la sfârșitul lunii iulie 1804. La 31 iulie, Floyd a scris în jurnalul său: „Sunt foarte bolnav și am fost de ceva vreme, dar mi-am recăpătat din nou sănătatea”. Cu toate acestea, această aparentă însănătoșire a fost urmată în curând de o gravă înrăutățire. William Clark a descris moartea lui Floyd ca fiind una „cu mult calm” și că, înainte de a muri, Floyd i-a spus lui Clark: „Plec. Te rog să-mi scrii o scrisoare.”
A avut loc o înmormântare și Floyd a fost înmormântat pe o faleză cu vedere spre râul Missouri. Expediția a numit locația Floyd’s Bluff în onoarea sa. Ei au campat în acea noapte la gura de vărsare a râului Floyd, „cu o lățime de aproximativ 30 de metri, o seară frumoasă.”
Clark a diagnosticat afecțiunea care a dus la decesul lui Floyd ca fiind colică biliară, deși medicii și istoricii moderni cred că moartea lui Floyd a fost mai probabil cauzată de o ruptură de apendice. Scurta „recuperare” descrisă de Floyd ar fi putut reprezenta ușurarea temporară oferită de spargerea organului, care ar fi fost urmată de o peritonită fatală. Dacă acesta ar fi fost cazul, deoarece nu se cunoștea niciun leac pentru apendicită la acea vreme, el nu ar fi avut o situație mai bună dacă s-ar fi aflat la cei mai buni medici ai vremii
.