Jefferson prawdopodobnie wybrał Lewisa na to stanowisko, mając nadzieję, że obejmie on dowodzenie ekspedycją transkontynentalną. Jefferson chciał, aby taka ekspedycja miała miejsce w 1792. Lewis był wśród pierwszych ochotników do jej poprowadzenia, lecz jego młody wiek i brak doświadczenia dyskwalifikowały go do objęcia takiego stanowiska w tym czasie. Gdy Lewis nabył już doświadczenia podczas służby granicznej, był kandydatem idealnym. Wystarczyło tylko podjęcie przez niego pewnych studiów o charakterze naukowym, które miały mu się przydać w czasie ekspedycji. W latach 1801–1803, gdy gromadzono fundusze na wyprawę, Lewis doszkalał się wraz z innymi członkami ekspedycji na University of Pennsylvania i zbierał informacje na temat planowanej trasy podróży.
Na współdowódcę wyprawy Lewis wybrał Williama Clarka, z którym służył w milicji stanowej w 1795. Wyprawa zakończyła się sukcesem, a Clark i Lewis, wyruszywszy w 1803, w 1805 dotarli do wybrzeży Pacyfiku (szczegóły wyprawy – zobacz: William Clark). W 1806 wyprawa wróciła do Stanów Zjednoczonych.