很长时间以来，欧洲人对周围世界的了解十分有限：对北非和亚洲近东熟悉一些，对遥远的中国印象模糊，对美洲则一无所知。1271年，在意大利威尼斯出生的马可·波罗跟着父亲和叔叔沿陆路去东方旅行，花了4年时间，终于在1275年走到了当时的中国元朝上都（今内蒙古多伦）。在元帝国期间，马可·波罗游历了大半个中国，目睹了中国高度发达的文明景象。1292年，马可·波罗一家由海路回到祖国，写下了著名的《马可·波罗游记》。其中所记述的中国的繁荣和富足，给欧洲人留下了极为深刻的印象，以至于许多人一开始都不相信这是真的。
日益发达的商业贸易活动迫切要求开拓东西方之间的航线。当时东西方的往来都要经过阿拉伯世界，阿拉伯商人基本垄断了欧洲与东方的贸易。但马可·波罗所描绘的东方的财富，对于狂热寻找黄金的欧洲商人太有诱惑力了。他们迫切要求寻找通往东方的新航路。
最初寻找直通印度航路的是葡萄牙人。在恩里克亲王的大力倡导下，地处伊比利亚半岛的葡萄牙人开始沿非洲西海岸南航。1419年占领了马德拉群岛，1432年占领亚速尔群岛，1445年到达非洲最西端的佛德角。这时葡萄牙航海家已经离开他们的本土几千公里了。但由于国内发生内乱，加上恩里克亲王去世，航海探险活动不得不暂时中止。40多年后，新的葡萄牙国王裘安二世继承了亨利的事业，继续南航寻找新航路。1487年，巴特罗缪·迪亚士率领的船队到达了非洲的最南端。当时正遇暴风雨，他们就将新发现的岬角称为“暴风角”。裘安二世不同意这一叫法，认为非洲南端的这个岬角正是通往东方世界的希望之标志，所以改称“好望角”。
1497年7月8日，葡萄牙人瓦斯科·达·伽马率领四只船离开里斯本，开始探索由非洲到印度的航路。他们11月4日到达圣赫勒拿岛，当月22日绕过好望角驶入印度洋，次年3月1日到达非洲东岸莫桑比克。从那以后，由精通航海技术的阿拉伯人阿赫默德·伊本·马吉德领航，达·伽马的船队只用了23天就顺利地渡过了印度洋，于5月21日到达印度西南海岸的中心港口卡利库特。葡萄牙人从那里运回了大量的香料、丝绸、宝石和象牙，在国内高价脱手后，所获纯利达航行费用的60倍。当他们一行于1499年9月初返回葡萄牙时，出发时的170人只剩下55人。水手们大部分死于坏血病，其中包括达·伽马的弟弟。这次艰苦卓绝的航行打破了阿拉伯帝国对海上贸易的垄断，为葡萄牙人夺取了东西方贸易的控制权。
与葡萄牙人南下绕过非洲南岸直达印度的探航思路不同，同一时期西班牙人正被一个外国人鼓动着实施通过西航到达东方黄金之国的计划。这个外国人就是克利斯朵夫·哥伦布。这位1451年出生的意大利热那亚纺织工人的儿子，从小就过着海上生活，没有受过正规的教育。但是他十分好学，利用闲暇时间读过许多书。《马可·波罗游记》使他对东方的富足产生了无比的向往。罗吉尔·培根关于大地是球形的观点以及从托勒密那里传下来的关于地球周长的数值，使他相信西行可以更快地到达亚洲。当时意大利著名的医生和地理学家托斯卡内利与哥伦布有过来往。托氏相信亚洲位于欧洲以西3000英里，中间隔着大西洋。1474年，哥伦布曾写信请教托氏从海上通往印度的最短路线。托氏回信说：“通过大西洋到黄金和香料之国，是一条比葡萄牙人所发现的沿非洲西海岸的航线更短的途径。”并给出了一幅地图。哥伦布自己根据《圣经》推算，欧亚非三个大陆应占地球表面的七分之六，海洋只占七分之一，再加上托勒密的构想（托勒密认为非洲南端与亚洲相连），可以得出结论：以整个地球经度为360°算，自西非以东到亚洲大陆应占280°，而西非与东亚海岸只占不到80°，这样算起来，西行到达东方确实是最短的路径。
1476年，哥伦布在一次海盗行动中落水，游上了葡萄牙的国土，从此在这个航海家的国度学习航海知识、参加远洋航行，熟练掌握了多种航海技术。1478年，他正式将自己的西航计划呈报给裘安王子。1482年，裘安即位后召集了不少地理学家讨论哥伦布的计划。葡萄牙的地理学家们均认为欧亚大陆相距3000英里的估计过低，否决了这个计划。1485年，哥伦布的葡萄牙妻子去世。他心灰意冷地带着自己的独生子离开葡萄牙，来到了西班牙，向西班牙王室献出自己的计划。当时西班牙尚未完全统一，无法考虑他的计划。等到7年后的1492年，西班牙王室经过周密的考虑，决定资助哥伦布的西航计划。是年8月3日，哥伦布统率三艘大船由巴罗士港顺风启航。
9月6日，船队驶过加纳利群岛，进入当时完全未知的大西洋海域。船员们个个心惊胆战，唯有哥伦布充满冒险的喜悦和对成功的自信。经过37天的艰难航行，他们终于在11月12日到达了陆地，也就是巴哈马群岛中的圣萨尔瓦多岛。哥伦布以为自己终于到达了亚洲。根据《马可·波罗游记》，这里当是印度群岛，因此他把当地居民称为“印度人”（Indian，中文为了区别，分别译成“印度人”和“印第安人”）。但是，哥伦布并没有找到他想要寻找的黄金，只好于1493年3月15日无功而返，回到西班牙。当年9月25日，哥伦布第二次西航来到北美大陆，依然没有找到黄金之国。人们意识到，新发现的土地远不是那样富饶。西班牙国王对此十分不满，但还是同意他于1498年再做一次航行。这一次，哥伦布又来到了南美，结果仍令人大失所望。就在这时，达·伽马绕非洲南端到达印度的消息传遍了整个欧洲，哥伦布一下子成了“骗子”。西班牙国王立即将其投入监牢。虽然在许多朋友的请求之下，哥伦布获释并且又做了第四次西航，但始终未找到其梦寐以求的黄金和珠宝。1506年5月20日，哥伦布在贫病交加中悄然去世，至死都认为自己到达了亚洲大陆。
哥伦布的西航虽然未达到其功利的目的，但空前地激发了欧洲人的探险热情和想象力。意大利航海家亚美利哥就是哥伦布的追随者之一。他起先为哥伦布做供应工作，后来亲自参加了去大西洋西岸的航行。他敏锐地感觉到哥伦布所发现的这块陆地并不是亚洲，而是一块新大陆。在这块新大陆与亚洲之间一定还有一个大洋。他在自己的游记以及给朋友的信中阐明了这一观点。法国一位地理学家偶然读到这封信，误以为是亚美利哥发现了新大陆，便在他绘制的地图上将新大陆命名为“亚美利加”。此后以讹传讹，约定俗成，美洲的名字就这样叫起来了。当西班牙人发现了哥伦布的伟大之处，想以“哥伦比亚”代替“亚美利加”时，已经来不及了。不过，正是“新大陆”的观念导致了对古代世界图景的革命性突破，以“亚美利加”命名新大陆也是一种历史的公正。
达·伽马发现了真正的印度，哥伦布发现的“印度群岛”被改称为“西印度群岛”。1513年9月，西班牙移民巴尔波亚在当地土著的引导下穿过巴拿马地峡，从山顶上看到了西面的茫茫大海。他将其称为“大南海”。然而，这个隔绝了印度与“西印度群岛”的大海究竟有多大呢？这个问题需要由下一位探险家麦哲伦来回答。
费尔南多·麦哲伦本是葡萄牙人，曾经在殖民战争中为祖国立下汗马功劳，而且受了腿伤。但不知是什么缘故，他不仅没有享受优良的待遇，反倒险些入狱。像当年的哥伦布一样，在葡萄牙不得志的麦哲伦于1517年来到了西班牙，立志完成哥伦布当年没能完成的事业：从西面到达真正的东方，到达盛产香料的摩鹿加群岛，打破葡萄牙人对香料贸易的垄断。此前他已听到传闻，在新大陆的南端有一个海峡将大西洋和大南海相连，根据他的计算，“大南海”的东西宽度与大西洋差不多。麦哲伦的计划得到了西班牙国王的支持，于1519年9月20日率领五艘船由西班牙南海岸的圣卢卡尔港启航。6天后船队来到加纳利群岛，后向西南方向航行，于12月13日到达巴西的里约热内卢。随着船队的不断南下，天气越来越冷，他们的食物也越来越少，但通往大南海的海峡总也没有找到。船员们信心发生了动摇，甚至准备发动叛乱。麦哲伦不得不在圣朱利安湾休整过冬，次年6月继续南下。10月，他们终于发现并通过了南美大陆最南端的麦哲伦海峡，进入广阔的“大南海”。“大南海”海面风平浪静，他们向西北方向航行了3个月，没有遇到过暴风雨和海浪的袭击，他们便将“大南海”改称“太平洋”。
到了1521年的1月，麦哲伦的船队还没有发现他们的目标香料群岛。食物和饮用水开始告急，最后他们甚至不得不食用船板、喝污水。船上所有的人都病倒了，唯有麦哲伦意志坚强，挺过了饥饿和疾病，镇静地指挥着船队向既定的方向前进。3月6日，他们一行抵达了关岛，28日抵达马萨瓦岛，4月初到达宿务岛，这里离香料群岛已经不远了。就在这时，麦哲伦介入了一场当地土著的内讧，在4月初的一次战斗中被杀身亡。余部死里逃生，于当年11月终于航行到了他们的目的地摩鹿加群岛。这一次历时两年多的西航历程太过艰难，船员们一个个心有余悸，谁也不愿意再走回头路。于是，他们沿着葡萄牙人达·伽马开辟的航线，经马六甲海峡横越印度洋，再绕好望角北上回国。1522年9月6日，在经历了近三年的航程之后，麦哲伦的船队绕地球一周，回到了他们的出发地圣卢卡尔港。走时的五条船只回来了一条，260多名水手只有18人生还。他们的“远征队总司令”麦哲伦永远留在了探险征程的途中。
麦哲伦船队的环球航行无可争辩地证明了大地球形理论的正确，也纠正了托勒密估算的地球周长值，向世人展现了地球真实的地理构成，在人类科学史上具有划时代的意义。在欢迎船队归来的庆功会上，发生了一件有趣的事情。当船员们被告知当日是9月6日时，他们极为惊讶，因为他们的航海日志上明明记的是9月5日，不可能发生差错。人们不久就明白了，这是因为他们向西航行地球一周造成的。今天，在太平洋上设立国际日期变更线，目的就是消除因环航地球造成的日期的不一致。
地理大发现所引起的观念革命与它所带来的经济后果一样巨大。它大大突破了亚里士多德和托勒密的知识范围，使欧洲的知识阶层从对古典作家的绝对权威的迷信中解放出来，为近代科学革命提供了良好的心理氛围和精神动力。
