Cox había llegado al Lago Nahuel Huapi partiendo desde Chile, sin poder completar su cruce hasta el Altántico. Villarino partió desde este último océano con la misma meta, pero debido a la oposición de los aborígenes sólo pudo llegar al Collón Curá. Moreno, obsesionado por llegar al lago Nahuel Huapí desde el lado argentino, organizó una expedición que obtuvo el apoyo de la Sociedad Científica Argentina y del gobierno de Buenos Aires. Debemos recordar que en aquella época de la Patagonia sólo se conocían razonablemente sus costas, y su interior se consideraba casi totalmente desértico. La expedición sale de Buenos Aires el 25 de setiembre de 1875. Luego de 4 meses de difícil travesía, llega al Lago Nahuel Huapi el 22 de enero de 1876, donde hace flamear por primera vez la bandera nacional. Moreno tenía entonces 23 años.
[[Archivo:Moreno FP Viaje a la Patagonia Austral portada.jpg|300px|right|thumb|<center>'''Portada de lla 1<sup>a</sup> 1a edición del libro Viaje a la Patagonia austral.</center>]]
En octubre de 1876 comienza la expedición que describe en su libro ''Viaje a la Patagonia Austral''. Remonta el río Santa Cruz llevando a la rastra un bote por más de 300 km. El 16 de febrero de 1877 efectúa la primera navegación del lago al que bautiza Argentino. El 18 de febrero descubre el glaciar que lleva su nombre. Descubre y bautiza el lago San Martín. Rebautiza Fitz Roy al volcán Chaltén. Moreno sueña entonces: