In 1609 maakte Hudson in dienst van de De Kamer van de VOC in Amsterdam een nieuwe reis naar de West. Met de Halve Maen, een schip van nog geen 70 ton en een gemengde Nederlandse en Engelse bemanning (20 koppen) ging hij opnieuw op zoek naar de Noordoostelijke doorvaart. De route was met dominee Petrus Plancius doorgesproken, die een theorie aanhing, dat het dichter bij het noorden warmer zou worden en dat daar ijsvrij water zou zijn. Vanwege mogelijke Franse concurrentie, georganiseerd door Isaac le Maire, was haast geboden.

Op 4 april 1609 verliet hij de haven van Amsterdam. Eenmaal om de Noordkaap bleek de ijsgang nog erger dan op zijn voorgaande reizen. Hij kreeg protesten van zijn bemanning in de buurt van Nova Zembla. In plaats van door te zetten of op te geven, besloot Hudson om de steven te wenden. Hij stak de Atlantische Oceaan over en ging op zoek naar een doorvaart door Noord-Amerika, zich daarbij baserend op informatie van een kolonist uit Virginia.

Hudson arriveerde eind mei ten westen van Nova Scotia, kwam in een storm terecht en volgde de kust zuidwaarts met een nieuwe mast. Op 4 augustus voer het schip langs Cape Cod. Hudson verkende vluchtig Chesapeake Bay en Delaware Bay, en bereikte op 3 september de rivier die eerst Mauritius en later naar hem genoemd zou worden. Hij was overigens niet de ontdekker van de Hudson; de rivier was al bekend sinds de reis van Giovanni da Verrazzano in 1524.

Hudson voer circa 200 kilometer de rivier op, tot nabij de huidige stad Albany. Onderweg werden geregeld verkenningstochten gemaakt met de sloep. De bemanning ruilde groene tabak, oesters, maiskolven, druiven, pompoenen en bever- en ottervellen met de indianen voor snuisterijen, messen en kralen. Op zekere dag braken de Indianen hun pijlen, om Hudson te laten zien dat hij niet bang behoefde te zijn. Op 23 september besloot Hudson terug te keren, omdat duidelijk werd dat deze rivier niet de gezochte doorgang naar de Grote Oceaan kon zijn. Op 4 oktober stak men weer in zee en op 7 november arriveerde Hudson in Dartmouth (Devon).