Allo scoppio dell’Insurrezione di Novembre (1830), Domeyko non esitò a unirsi ai ribelli. Catturato dai russi, riuscì per miracolo a sfuggire alla fucilazione. Come tanti insorti scelse la via dell’esilio quando divenne chiaro che la rivolta era fallita e la Polonia non avrebbe riconquistato l’indipendenza. Si riunì a Mickiewicz a Dresda, mentre quest’ultimo stava scrivendo i Dziady, Parte III, e si diresse poi in Francia.
A Parigi Domeyko si diede allo studio matto e disperatissimo, laureandosi in ingegneria mineraria. Ricevette poi un’offerta di lavoro dall’altro capo del mondo, dal Cile, uno Stato nato soltanto 20 anni prima. Il Cile era giovane, ambizioso, ricco di risorse naturali e affamato di competenze, conoscenze e tecnologie. Il viaggio di Domeyko verso La Serena, una cittadina di provincia di circa 6.000 abitanti, richiese 4 mesi. La località ospitava una scuola di mineralogia di cui Domeyko divenne direttore. Nel frattempo si dedicò anche alla scrittura di manuali didattici.
Il suo impegno sul fronte dell’istruzione fu premiato con la nomina a rettore dell’Università del Cile di Santiago, ufficio che mantenne per 16 anni. Era enormemente ben voluto dai suoi studenti e dava valore all’esperienza più che all’accumulo passivo di saperi. Incoraggiava i suoi studenti a sperimentare, organizzava tirocini e i più meritevoli ottenevano borse di studio per andare a studiare in Francia.
Durante le sue spedizioni scientifiche percorse a piedi, a cavallo e via nave qualcosa come 7.000 km, scoprendo depositi di oro, argento, rame e carbone, nonché minerali fino ad allora sconosciuti, di cui uno porta oggi il suo nome, la domeykite. Fu tra i primi a riconoscere l’importanza economica dei depositi di salgemma del deserto cileno, i maggiori al mondo.
I suoi interessi erano in ogni caso eclettici e fu impegnato anche nella difesa dei popoli indigeni del Cile, i Mapuche. Domeyko era un oppositore della colonizzazione, della schiavitù e dello sfruttamento.
Sebben nei suoi diari confessi la nostalgia che prova per la madrepatria, gli infiniti impegni lo trattengono in Cile, dove peraltro trova anche l’amore. Tornerà in Polonia una sola volta prima di morire nel 1889.