Foi nomeado na Espanha governador da província de Rio da Prata, com este título voltou a América, em 1540, a fim de reestabelecer o assentamento de Buenos Aires. Em sua segunda visita, Cabeza de Vaca desembarcou em terras hoje pertencentes ao Brasil, tendo chegado primeiramente em uma ilha do estado de Santa Catarina, local o qual ao desembarcar com 250 homens e 26 cavalos, iniciou sua ida ao Sul da América, sendo assim, o primeiro europeu a seguir o Rio Paraguai e ver as cataratas do Iguaçu.
Após falhar em sua missão de reestabelecimento de Buenos Aires, foi mandado de volta à Europa em 1545, foi preso por má administração (fora aprisionado pelo seu próprio povo em 1546). Já na Europa, escreveu sobre sua segunda estadia na América, gerando a obra La Relación, acabou por morrer pobre, em Sevilha, aproximadamente do ano de 1559.