En Enero de 1832 formó un "Cuerpo de Milicias" para repeler el ataque de los soldados del batallón Flores que se había sublevado. El 20 salió una expedición a las Galápagos al mando del Coronel Ignacio Hernández. En 1833 desempeñó por escasos meses el Consulado General de los Estados Unidos en Guayaquil y viajó a las Galápagos en su calidad de Gobernador del Archipiélago; allí ejerció el cargo "con tino, sagacidad y gran espíritu práctico."
La [[HMS Beagle|Nave Beagle]] trajo a bordoGalápagos la expedición cientifica británica bajo el mando del capitán [[Robert FitzRoy]] a Galápagos el 15 de septiembre de [[1835]]. Junto al joven naturalista [[Charles Darwin]], realizaron un estudio científico de la geología y biología en cuatro de las islas antes de continuar su expedición alrededor del mundo. La nave se mantuvo a flotenavegando durante 5 semanas dentro dedel las islasarchipielago, pero Darwin estuvo en tierra solo dos semanas. Investigó a los animales y plantas propios de la región que permitieron a Darwin formular la teoria del [[el origen de las especies|origen de las especies]].<ref>{{cita web |url=http://www.misteriosarealidad.com/2013/08/las-islas-galapagos-ecuador-charles-darwin-evolucion.html|título=Las islas Galápagos - Ecuador: La clave de Charles Darwin para el origen de las especies |fecha=viernes, 9 de agosto de 2013 |editorial=Misteriosa Realidad |idioma=español }}</ref> Villamil renunció en 1837 porque el número de colonos había disminuido. En su lugar dejó al General Pedro Mena, quien cuidará de sus bienes. En 1841 fue llamado al servicio militar e intervino en la campaña de Pasto con el General [[Juan José Flores]]. Regresó a las Galápagos y con dinero prestado a su hija Ana de Alarcón trasladó el ganado de su propiedad para evitar roces con los colonos de "Floreana".
A principios de Agosto de 1842 estaba en las Galápagos cuando se enteró de la epidemia de fiebre amarilla en Panamá. Entonces se hizo a toda vela con el objeto de comunicar la noticia para que se declarara en cuarentena a todos los barcos del norte, provenientes de las costas de Méjico, Centroamérica y Panamá, pero cuando llegó al puerto era muy tarde, pues días antes, el 31 de Agosto, había fondeado la goleta inglesa "Reina Victoria", procedente de Veraguas, con varios enfermos; y poco después arribó el "Bruja" también infectada.
