1492年8月3日夜裡,哥倫布的艦隊從西班牙西南海岸的帕洛斯港出發了。他的艦隊由3艘帆船和90名船員組成,旗艦是一條大型的克拉克帆船——聖瑪利亞號(諢名「加利西亞」號),以及兩艘小型的卡拉維爾帆船——平塔號和聖塔克拉拉號(諢名尼尼亞號)。平塔號和尼尼亞號的船長是來自帕洛斯當地的平松兄弟(馬丁·阿隆索·平松和比森特·亞涅斯·平松)。哥倫布首航的一部分資金也是借自平松家族。
哥倫布離開西班牙後不久,就發現平塔號有些損壞。他們首先到達了隸屬於卡斯提亞王國的加那利群島,在大加那利島得到以修整和修補船隻。9月6日,哥倫布的艦隊離開了加那利群島,開始了漫長的長達5周的橫渡大西洋的航程。這一路上非常順利,沒有碰見風暴,信風的幫助也使得他們航行很快,從9月9日到18日就西行了1163海里。因為行駛在未知的海域和前所未有的長時間不間斷航海,快到達美洲的時候,船上人心浮動。為了穩定船員的情緒,哥倫布一直有真假兩個航行里程記錄。假的那個告訴船員們的記錄上記載的里程數要短些。但因為他在真記錄中有計算錯誤,最後他的假數字反而比真數字更符合實際。經過70天的航行,終於在1492年10月12日星期五清晨兩點鐘,「平塔」號上的一個水手——胡安·德·特里阿納羅德里戈·德·特里阿納(也被稱作胡安·羅德里格斯·貝爾梅奧)第一個看到了陸地。隨後平塔號的船長馬丁·阿隆索·平松確認了這個發現,並鳴炮通知了哥倫布。但哥倫布在返回西班牙後堅持說他已先看到陸地上的火光了。
哥倫布的艦隊終於到達的是美洲廬卡雅群島中的一個小島,當地人稱之為瓜那哈尼島,哥倫布將之命名為「聖薩爾瓦多」。該島具體位置一直有爭論,應該在現今巴哈馬境內。最有可能的為現聖薩爾瓦多島(也稱華特林島)、薩馬納礁島、普拉納礁。[24]哥倫布碰到的當地居民(盧卡約人、泰諾人或阿拉瓦克人)非常友善。他們當時還處在新石器時代,武器也就是例如削尖的木頭,骨頭等。但哥倫布在他1492年10月12日的日誌裡便透露出殖民的內心態度,他說當地人沒有進步的武器和戰術,僅用五十人就可輕易征服,並隨他高興怎麼處理當地人。又認為當地人似乎沒有信仰,哥倫布想把當地原住民以基督教奴役。哥倫布當時認為自己到達的是日本外圍的群島,並將當地人口中的如古巴、海地等大島當了為日本本島(也有說法是到達中國或印度)。
哥倫布隨後根據當地人的指點,探查了現今古巴的東北海岸,並在10月28日登陸古巴。在11月22日,因為聽當地人說附近有個盛產黃金的島嶼,馬丁·阿隆索·平松帶領平塔號私自離開去探索。哥倫布帶領餘部繼續探索,到達了伊斯帕尼奧拉島北岸並在12月5日登陸探索。[30]哥倫布將該島命名為「西班牙」島,英文化名稱即伊斯帕尼奧拉(Hispaniola)。
在聖誕日左右,聖瑪利亞號不幸在夜裡觸礁沉沒。當地瓜卡納加利酋長派人幫助救援,並允許哥倫布留下39名船員建立據點。該據點被命名為納維達德以紀念聖誕,同時表示旗艦在聖誕前夜遇難。據點位於現今海地的摩爾·聖·尼古拉斯。哥倫布帶著僅有的一艘船繼續沿著伊斯帕尼奧拉島的北岸行駛,直到來年1月6日與平塔號相遇匯合。1493年哥倫布做了首航美洲的最後一次停靠。他們在山美納半島登陸,遇到了來美洲後的第一次敵意的對待。哥倫布因此將與這些印第安人相遇的地方叫做「箭頭灣」
隨後哥倫布終於踏上返回西班牙的規程,船上帶有強行挾持的一些印第安人。歸途的大部分時間在信風的幫助下都比較順利。但在2月22日夜間碰到了風暴,兩艘船在風暴中失散。1493年2月19日,哥倫布所在的尼尼亞號終於到達葡萄牙所屬的亞速群島的聖瑪利亞島。隨後哥倫布的艦隊到達里斯本,終於回到了歐洲大陸。哥倫布在受到葡萄牙國王若昂二世接見後於3月13日離開里斯本返回了西班牙。
哥倫布終於在1493年3月15日星期五中午回到了當初出發的帕洛斯港。哥倫布艦隊的另一艘船平塔號在2月底就到達了西班牙西北部加利西亞岸邊的一個港口(巴榮納)。馬丁·阿隆素·平松在到達後立即上書住在巴塞隆納的費迪南國王和伊莎貝拉女王求見,但他們堅持要先見哥倫布。哥倫布給西班牙王室的遠航探險報告(通常叫做《哥倫布書簡》)被翻譯為拉丁文在歐洲廣為流傳。
不過當時哥倫布只是認為發現前往亞洲的新航線,直到1499年-1504年間,為西班牙國王效勞的義大利人亞美利哥·韋斯普奇考察了南美洲東北沿海地區,認為這裡不是印度,而是一塊新大陸。後人將這塊大陸以他的名字命名為亞美利加洲。
在深入探索了美洲大陸後,西班牙發現了兩個大帝國:阿茲特克帝國與印加帝國,這兩個帝國面積的廣袤程度與人口的稠密程度都遠超歐洲任何一個國家。通過和當地被鎮壓的民族聯合,並在歐洲人無意間帶來的疾病的協助下,西班牙征服者輕而易舉地征服了這兩個帝國。然而,當地文明的頑強反抗卻成為歐洲人不得不面臨的一個問題,他們必須得進行一場長期的戰爭來鎮壓他們。
1510年時,瓦斯科·努涅斯·德巴爾沃亞在美洲大陸上建立起了第一個殖民城市聖瑪麗亞-拉安蒂瓜德爾達里恩。他後來還成為了第一位看見「大南海」(即太平洋)的歐洲人,這是繼馬可波羅觀東海後,歐洲人再次目睹太平洋。