Сведения о наличии стока у Танганьики в северном направлении Спик воспринял скептически, так как они противоречили уже сложившемуся у него на основании других рассказов представлению, что в той стороне озеро ограничено высокими горами. Последние он нанес на карту в виде подковообразного хребта, замыкающего озерную котловину с севера, причем полагал, что это и есть Лунные горы древних; основание для такого вывода Спик видел в том, что они находятся недалеко от Лунной страны (один из возможных переводов названия Уньямвези). Марунгу же, по его мнению, должна была скорее не впадать, а вытекать из Танганьики, соединяя ее с лежащим южнее озером Ньяса. Географические результаты личных исследований Спика во время его поездки по озеру, занявшей почти весь март 1858 года, были в общем довольно незначительными. Впрочем, состояние здоровья Спика, вероятно, и не позволяло требовать от него большего. Бертона сильно заинтересовало сообщение о реке Рузизи, якобы вытекающей из озера на севере: у него зародилась мысль, что это и есть Нил (в существование гипотетических Лунных гор Спика он не верил). Для проверки полученных сведений англичане отправились в новое плавание, теперь уже вдвоем. Миновав далеко выступающий в озеро полуостров Убвари (принятый ими за остров), они прибыли в конце апреля в деревню Увира близ северной оконечности Танганьики. Тут все надежды Бертона найти исток Нила рухнули. Мне нанесли визит, рассказывает он, три рослых сына султана (то есть местного вождя)... Сразу же был затронут вопрос о таинственной реке, вытекающей из озера. Все они заявили, что бывали на ней, предлагали проводить и меня, но единодушно утверждали и вся толпа присутствующих подтвердила их слова, что Рузизи впадает в Танганьику, а не вытекает из нее. На сердце у меня стало тоскливо . Никаких оснований сомневаться в словах африканцев, которые, действительно, полностью соответствовали истине, у Бертона не было, и Рузизи сразу утратила для него всякий интерес. Так и не побывав на этой реке, путешественники вернулись в середине мая в Кавеле и в конце того же месяца двинулись в обратный путь. Английские исследователи повидали только северную, меньшую часть Танганьики, общее же представление о размерах и конфигурации озера составили главным образом по рассказам арабских купцов. Основываясь на этих данных, Бертон оценивал длину озера менее чем в 460 километров (в действительности около 650 километров). Полученная Спиком цифра высоты озера над уровнем моря немногим более 560 метров была значительно меньше истинной (средняя отметка уровня Танганьики в настоящее время 774 метра, в конце же 50-х годов прошлого века уровень озера располагался выше, на отметке порядка 780 метров); эта ошибка объяснялась, по-видимому, неисправностью экспедиционного гипсотермометра.
Глубину озера путешественники не измеряли из-за отсутствия у них лотлиня, но, учитывая общие особенности морфологии озерной котловины, а также некоторые технические детали местного рыболовного промысла, пришли к правильному выводу о том, что она должна быть очень большой (хотя, конечно, не подозревали, что это озеро второе по глубине на земном шаре после Байкала). Открытие Танганьики явилось в то же время первым знакомством европейцев с Западным рифтом, или Центральноафриканским грабеном западной ветвью Восточноафриканской рифтовой системы. Любопытно, что Бертон, вообще-то довольно далекий от геологии, высказал правильное предположение относительно происхождения озера. Его общее простирание, писал он, параллельно внутриафриканской линии вулканической деятельности, протягивающейся от Гондара на юг через районы вокруг Килимангао (Килиманджаро)... Общее строение, как и в случае Мертвого моря, наводит на мысль о вулканической депрессии... Напомним, что тогда под вулканизмом понимались все проявления деятельности внутренних сил Земли; проведенная же Бертоном аналогия с уже хорошо знакомым в то время ученым Мертвым морем ясно показывает, что он имел в виду сбросовый генезис озерной котловины. Вопрос о стоке Танганьики остался неразрешенным; Бертон не исключал возможности, что это озеро бессточное. Путешественники слышали также о расположенном к юго-востоку от Танганьики, между ней и Ньясой, еще одном озере Руква; некоторые рассказы позволяли думать, что оно, по крайней мере в дождливое время года, сообщается с Танганьикой (в действительности никакой связи между этими озерами нет). На обратном пути, в Таборе, экспедиция задержалась из-за болезни Бертона, который слег с очередным приступом малярии. Спику удалось убедить своего начальника отпустить его в самостоятельный маршрут: он отправился на поиски озера Ньянза, или Укереве, находящегося по рассказам арабов севернее Танганьики. Спик вышел к нему 30 июля 1858 года неподалеку от Мванзы. Местное название озера Ньянза, то есть большая вода , было в сущности именем нарицательным, обозначающим всякий крупный водоем. Спик добавил к нему имя английской королевы. Так на карте появилось название Виктория-Ньянза (ныне просто Виктория). Я больше не сомневался, что из озера, плещущегося у моих ног, берет начало та самая река, истоки которой породили столько слухов и стали целью стольких исследователей (то есть Нил), писал Спик. Ожидавший Спика в Таборе Бертон встретил его восторженный рассказ о новом открытии весьма прохладно. Гипотезу о связи Виктории-Ньянзы с Нилом он сразу же отверг и, как иронизировал потом Спик, позаботился, разумеется, о том, чтобы отделить (на карте) мое озеро от Нила своими Лунными горами .
Горная цепь, отгораживающая бассейн Нила от озерной области, значилась и на ранних картах; однако, когда шла речь о том, что Нил может начинаться в озере Танганьика, Бертон, видимо, готов был отказаться от представлений о существовании такого широтно ориентированного водораздела, теперь же почему-то вновь возымел к ним полное доверие. Он явно не хотел, чтобы найденная не им, а Спиком Виктория-Ньянза оказалась местом зарождения Нила, прекрасно понимая, что его более удачливый спутник вовсе не собирается делить с ним славу этого открытия. Отношения между Бертоном и Спиком к тому времени вообще испортились. Этому способствовали, очевидно, их усталость и болезни, делавшие обоих англичан мнительными и раздражительными. Неудивительно, что и их географические разногласия были легко перенесены на личную почву. На берег Индийского океана путешественники вернулись большей частью прежней дорогой 3 февраля 1859 года. Спик прибыл в Англию раньше Бертона и вскоре уже делал в Королевском Географическом обществе доклад, основное место в котором уделил, конечно, открытию Виктории-Ньянзы. Доклад вызвал шумную сенсацию, Спик стал героем дня, фигура же Бертона отошла на задний план, по крайней мере в глазах широкой публики. Ко всем ранее накопившимся у Бертона претензиям к Спику, в большинстве своем не слишком обоснованным, прибавилась теперь довольно-таки справедливая обида на то, что его помощник умышленно обошел своего начальника: ведь Спик вполне мог подождать его, Бертона, возвращения, так, чтобы они выступили с совместным сообщением о результатах экспедиции! Спик, впрочем, оправдывался тем, что не смел ослушаться Мерчисона, настаивавшего на немедленной постановке его доклада (поскольку экспедиция была организована Королевским Географическим обществом, Мерчисон выступал в данном случае как его прямое начальство). Вне зависимости оттого, какая доля славы досталась Спику и какая Бертону, научные результаты их экспедиции были очень велики. Карта Восточной Африки, строившаяся до сих пор на основании лишь расспросных данных и домыслов, была заполнена теперь множеством новых географических объектов, местоположение которых было достаточно точно установлено астрономическими наблюдениями. Особенно важно, разумеется, то, что место единого озера Ньяса Кули и озера Уньямвези немецких миссионеров заняли три самостоятельных больших озера. На двух из них английские исследователи побывали лично (на Танганьике вдвоем, на Виктории-Ньянзе один Спик), и только третье, Ньяса, оставалось известным лишь понаслышке, но недолго: в сентябре 1859 года его посетил Ливингстон.
Правда, сомнения в целостности великого озера на востоке Африки были посеяны немного раньше: еще в 1857 году Ливингстон сообщил о существовании в этой области нескольких озер, но он тоже основывался только на расспросных данных, честь же непосредственного установления этого факта целиком принадлежит Бертону и Спику. Составленный Бертоном фундаментальный научный отчет экспедиции, занявший весь объем Журнала Королевского Географического общества за 1859 год, и его двухтомная книга Озерные области Центральной Африки , вышедшая в свет в Лондоне в следующем году, явились ценнейшим вкладом в географическую литературу, открыв перед читателем широкую картину природы и населения огромной территории, о которой до того по существу не было известно ничего достоверного. Позднее Спик дополнил эти работы Бертона своей книгой Что привело к открытию истока Нила (Эдинбург Лондон, 1864), включившей описание и их предыдущего совместного путешествия в Сомали. По материалам начального, берегового этапа работ восточно-африканской экспедиции 1856-1859 годов Бертон подготовил еще один двухтомный труд Занзибар: город, остров и побережье (Лондон, 1872). Однако проблемы истоков Нила экспедиции Бертона и Спика разрешить не удалось. Мнение Спика о том, что Нил вытекает из Виктории-Ньянзы, покоилось пока что на весьма шатком основании. Для серьезных ученых одной его уверенности в своей правоте было недостаточно. Сразу после окончания совместной экспедиции со Спиком Бертон посетил Северную Америку. В 1861 году знаменитый исследователь Восточной Африки Бертон был назначен британским консулом на Фернандо-По. Почти все время его пребывания на этом посту (по 1864 год) было заполнено ближними и дальними поездками, в ходе которых он посетил город-государство иоруба Абеокуту (к северу от Лагоса, только что ставшего тогда английской колонией), береговые области Камеруна, эстуарий Габон, низовья Конго, Дагомею и некоторые другие страны и районы западного побережья Африки. Свои западноафриканские впечатления Бертон описал в четырех объемистых (каждая состоит из двух томов) книгах: Странствования в Западной Африке (1863), Абеокута и горы Камеруна (1863), Миссия к Джелеле, королю Дагомеи (1864) и Две поездки в страну горилл и к водопадам Конго (1875). Деятельность Бертона на западном побережье Африки не ознаменовалась какими-либо крупными географическими открытиями, но публикации его во многом способствовали общему расширению и углублению знаний о природе и населении этой части континента.