Hiszpania i Portugalia, na mocy traktatu z El Pardo z 1778, ustaliły granice swoich posiadłości w Ameryce Południowej. Azara został mianowany komisarzem odpowiedzialnym za precyzyjne zdefiniowanie hiszpańskich granic na miejscu. Wyjechał do Ameryki Południowej w 1781 na misję mającą trwać kilka miesięcy, lecz pozostał tam 21 lat. W tym czasie badał ekonomię, geografię, faunę i florę Paragwaju, które opisał w pracach naukowych. Ponieważ nie miał wykształcenia przyrodniczego, popełniał wiele błędów. W sumie opisał 448 gatunków, z których około połowy nie zostało wcześniej opisanych. Sporządził mapy regionu estuarium La Plata.
W 1801 wrócił do Hiszpanii, a następnie wyjechał do Paryża, gdzie spotkał się z bratem José Nicolásem de Azara, ambasadorem Napoleona. Jego prace zyskały aprobatę naukowców z Muzeum Historii Naturalnej w Paryżu i przyniosły mu międzynarodową sławę. W 1802 awansował na brygadiera marynarki wojennej, a w następnym roku chciał przejść na emeryturę i odrzucił stanowisko wicekróla Meksyku, które oferował mu Manuel Godoy. W 1805 został członkiem Rady Fortyfikacji i Obrony Indii. Po zakończeniu wojny niepodległościowej i przywróceniu monarchii absolutnej usunął się z życia publicznego i wyjechał do Barbuñales, gdzie prowadził badania nad rolnictwem dla Real Sociedad Económica Aragonesa.