A expedição de 1530 recebeu o comando de Martim Afonso de Sousa (1490/1500?-1571), que, munido de mapas e cartas náuticas, atravessou as águas atlânticas para cumprir a missão recebida de, segundo o historiador Ilmar Rohloff de Mattos, povoar para defender. Navegando mar afora ao longo do litoral sul, adquiriu pelo caminho importantes conhecimentos geográficos.

Segundo relatos de Pero Lopes de Sousa (1497-1539), interceptou naus francesas, chegando a apreender uma “com muita artilharia e pólvora, e (...) toda abarrotada de pau-brasil”. No dia 30 do mês de abril de 1531, escreveu em seu Diário de Navegação que a expedição alcançou o Rio de Janeiro. Seria o segundo registro sobre esse sítio: “Ao meio dia se fez o vento do mar, e entramos dentro com as naus”. A flotilha ficou ancorada na Baía de Guanabara, com “muitos abrigos”. Instalou-se uma ferraria. Avançou-se um pouco na direção do interior, recolhendo-se notícias, anotadas no Diário, da existência, também, de riquezas. Foram fabricadas duas embarcações e erguida uma casa de pedra, na foz do rio que os nativos chamavam de Carioca.

Preciosas informações contidas nesses diários de bordo e em relatos de viagens eram tão importantes quanto as cartas da época e os mapas utilizados por dezenas de navegadores. Traduziam, além da utilidade potencial da terra para atender à política ultramarina do Reino, um conhecimento acumulado e constantemente corrigido em virtude das novas observações e das novas descobertas. E essas seriam as primeiras de que se tem notícia, em língua portuguesa, sobre o local: “A gente (...) é como da Baía de Todos os Santos; senão quanto é mais gentil gente. Toda a terra (...) é de montanhas e serras mui altas... Aqui estivemos três meses tomando mantimentos, para um ano, para 400 homens que trazíamos”.

No dia 1º de agosto, Pero Lopes de Sousa (1497-1539), irmão do comandante da expedição de 1530, registrou em seu Diário de Navegação a partida da frota “deste Rio de Janeiro com vento noroeste”. No primeiro momento, como era interesse principal da Coroa portuguesa descobrir metais preciosos, a região da Guanabara, alcançada em abril de 1531, ficou negligenciada.

A missão prosseguiu velejando para o Sul, alcançando a foz do Rio da Prata e fundando a primeira vila da América portuguesa, São Vicente, erguida no litoral paulista em 22 de janeiro de 1532. Ali, Martim Afonso de Sousa distribuiu lotes de terras, cabeças de gado, ferramentas e sementes aos novos habitantes, além de dar início à plantação de cana-de-açúcar. Montou o primeiro engenho: o Engenho do Governador (no atual estado de São Paulo). Além disso, entrou em contato com degredados e náufragos, como Diogo Álvares Correia (1475-1557), chamado de Caramuru (homem trovão, possivelmente pelo uso de arma de fogo), que facilitou bastante a missão recebida da Coroa lusitana por Martim Afonso.

Antes de retornar a Portugal, em 1532, Martim Afonso recebeu uma carta de D. João III (1502-1557), que falava da intenção de implantar o sistema de capitanias hereditárias, designando-o e seu irmão Pero Lopes de Sousa como donatários. O fato foi concretizado em 6 de outubro de 1534, quando o comandante da expedição de 1530 recebeu do rei as capitanias de São Vicente e do Rio de Janeiro.