[1]​ También siguió con sus labores botánicas y describió plantas peruanas y chilenas procedentes de la Expedición Botánica al Virreinato del Perú (1777-1788) de Ruiz y Pavón y otras de la Real Expedición Botánica a Nueva España (1787-1803), entre las que destaca la Dahlia, cuya primera descripción fue hecha por Cavanilles sobre plantas cultivadas en el Real Jardín Botánico de Madrid enviadas por esta Expedición.

Recorrió parte de la península ibérica clasificando e inventariando la flora autóctona, y en el curso de tales investigaciones descubrió nuevas especies y elaboró un tratado en seis volúmenes Icones et descriptiones plantarum quae aut sponte in Hispaniae crescunt, aut in hortis hospitantur (1791-1801); también investigó la flora sudamericana y compuso un Glosario de botánica en cuatro lenguas (1795-1798).

Cavanilles fue el más fecundo redactor, con 48 artículos, seguido de Christiano Herrgen.

El arroz "siempre sediento, admite y malgasta caudales preciosos, que distribuidos de otro modo multiplicarían los productos"; por otro lado, demostró con estadísticas de mortalidad que el cultivo del arroz perjudicaba gravemente a la salud.

A su muerte legaría su herbario, dibujos originales, biblioteca y manuscritos al Real Jardín Botánico de Madrid, donde actualmente se conservan.