Il part de Boké, dans le golfe de Guinée, le 19 avril 1827, mais il tombe gravement malade et est contraint de séjourner sept mois à Timié en Côte d'Ivoire. Le scorbut lui fait perdre toutes ses dents et la moitié de son palais.
Trés affaibli, il n'atteind Tombouctou qu'un an après son départ, le 20 avril 1828. Il est plutôt déçu. La capitale du désert a perdu de sa splendeur passée. Cette ville aux sept mosquées n'est plus qu'un médiocre village désseché par le soleil et par le vent.
Néanmoins, il en dresse minutieusement le plan, décrit les mosquées et prend de nombreuses notes.
Se sentant suspecté, il n'a plus qu'une idée en tête, échapper au piège et reganer au plus vite l'Europe.
Il repart le 04 mai avec une caravanne de commerçants Maures. Il se fait appellé Abdallali.

Mais le retour sera encore pire que l'aller ! Pendant près de deux mois, la traversée à pieds du Sahara fut un long calvaire, fait de souffrances et de privations.
Arrivé dans la région du Tafilalet, située au Sud-Est de l'Atlas dans l'actuel Maroc, la chance lui permet de louer un âne et de se joindre à une caravane pour Fès.
En guenilles, le visage défiguré, c'est maintenant en mendiant qu'il va ralier Meknès, Rabat puis Tanger.
Se faisant alors reconnaître, il est hébergé et soigné par le consul de France avant d'embarquer pour Toulon...

Contrairement à la plupart des explorateurs de son siècle, René Caillé est parti incognito et sans escorte.
Il voyage en se faisant passer pour un musulman et pour pouvoir tenir ce rôle, il a séjourné préalablement pendant de longs mois dans une communauté musulmane du Sénégal. Il y étudia, avec une grande rigueur, l'arabe et le Coran.

De tout cela il dénote des autres explorateurs : c'est un homme humble, honnête, mu par une volonté de fer pour atteindre l'objectif fixé : Tombouctou et la quête de soi.

C'est aussi un humaniste, respectueux de ses frères africains, dénonçant l'esclavage et la condition des femmes, faisant de nombreuses remarques sur l'excellente adaptation des techniques agricoles.

A son retour en France il a droit à tous les honneurs. Accueilli en héros par le Baron de Cuvier, président de la Société de Géographie, il sera décoré de la Légion d'Honneur et doté par Charles X de la prime promise au premier français à atteidre Tombouctou.
Plus tard il aura la satisfaction de se voir allouer une pension, d'être reçu à déjeuner par Louis Philippe et de voir ses carnets de voyage édités.

René Caillé meurt 10 ans plus tard, en 1838 à l'âge de 39 ans, vieilli prématurément par les nombreuses souffrances endurées lors de son périple.