Lors de son voyage en Amérique du Sud, il décrit et dresse la carte des îles de Trinidad et Tobago, le Río de la Plata, les Malouines, la baie de Coquimbo, Arica, Lima, les routes de Callao, et la ville de Pisco. Il dessine également de nombreux paysages sud-américains. Dans son Journal des observations physiques, mathématiques, et botaniques, Vol. I, il évoque le fraisier de Concepción (Fragaria chiloensis) :
« Plusieurs fruits, comme les poires, les pommes, les fraises, &c. étaient en maturité ; on nous servit au dessert des fraises d’un goût merveilleux, dont la grosseur égalait celle de nos plus grosses noix, leur couleur est d’un blanc pâle ; on les prépare de la même manière que nous faisons en Europe ; & quoi qu’elles n’aient ni la couleur ni le goût des nôtres, elles ne laissent pas d’être excellentes. »
Il n’inclut aucun exemplaire de fraisier dans la collection de spécimens botaniques qu’il rapporte en France. Quatre mois après son retour, Louis XIV envoie Amédée-François Frézier en Amérique du Sud pour une mission d'inspection des fortifications espagnoles. Il devient ainsi le premier à rapporter des plants de ce nouveau fruit sur le Vieux Continent. Frézier est par ailleurs en désaccord avec Feuillée quant aux mesures de latitudes et longitudes de la côte sud-américaine et des principaux ports du Chili et du Pérou. Il signale de fait plusieurs erreurs dans le récit de Feuillée, ce qui crée un climat de polémique entre les deux explorateurs.
Grâce à un hydromètre de son invention, Feuillée démontre que la Méditerranée est plus salée que l'Atlantique, indiquant que l'eau douce de l'Amazone se jette très avant dans l'Atlantique. Il dessine une carte de l’Amérique du Sud, ce qui permet de localiser précisément les contours des côtes pacifiques et atlantiques du continent sud-américain. Il découvre également trois nébuleuses sombres sur la Voie lactée australe. En matière de botanique, Feuillée étudie le fuchsia, la grande capucine, l'oxalis, l'alstroemeria, la papaye, la cherimoya et le solanum.
Un siècle avant Alexander von Humboldt (1769-1859), Feuillée découvre l'existence du large courant circulaire qui longe les côtes chiliennes et péruviennes aujourd'hui appelé courant de Humboldt. Il observe aussi l'inversion des saisons au sud et au nord de l'équateur.
En 1724, lors de son quatrième et dernier voyage, il se rend aux îles Canaries et détermine la position du méridien de l'île de Fer.
Le cratère Feuillée sur la Lune porte son nom ainsi que le genre Fevillea (ou Feuillea).