1768，英国皇家科学院决定到南太平洋塔希提岛进行天文观测，要求海军派船执行这次任务，皇家海军决定派库克去指挥这次远航。从1768年库克指挥考察队在塔希提岛对金星进行观测时起，到1775年返回英国为止，库克在南太平洋的群岛之间度过了整整7年的时间。在此之前，英、法有不少海洋探险家到过此地，但他们多数人只到过澳大利亚和新西兰的某些海岸及其他一些岛屿。当时人们认为，在地球的南部存在着一个南大陆。库克决定亲自去考察，以证明南大陆是否存在。他得到了皇家科学院的支持。
库克的考察分为两个阶段。第一阶段，是在塔希提岛进行天文观测；第二阶段，是去寻找南大陆。库克把一艘370吨的独桅运煤船钕装成探险船，命名为“奋斗”号。
1768年8月25日，“奋斗”号载着几十名科学家离开了普利茅斯港，经过8个月的航行，到达了塔希提岛。他们从6月3日起，对金星进行一个月的观察。与此同时，库克还对岛上的波利尼西亚土著居民进行了考察。
天文考察结束后，库克离塔希提岛南航，前去寻找南大陆。南太平洋的秋天，气候非常恶劣，“奋斗”号经常处在风浪之中。到达南纬40 °后，眼前仍是茫茫大海，没有任何陆地的影子。10月7日，库克决定转舵向西，到达了新西兰东海岸。早在1642年，法国探险家塔斯曼就发现了新西兰，但他没有弄清这个岛的真实情况，错误地以为这是南大陆北部的海角。库克一行沿新西兰东海岸北上，到达北角，然后又沿西海岸南下，横穿南、北两岛之间的海峡，又从南岛的东海岸绕过西南角北上，确凿地证实了新西兰并不是大陆，而是南北毗邻的两个岛屿，纠正了塔斯曼的错误。现在新西兰的南岛和北岛，就因此而得名；两岛之间的海峡，也以库克的名字命名。
海洋上的生活是艰苦的。库克以前的许多探险家，往往因为船上卫生条件差，生活艰苦，缺少蔬菜，船员染上坏血病大量死亡而导致探险失败。库克深知这一点，他特别注意船上的卫生和船员的饮食，并和随船医生一起研究了各种抗坏血病的水果和植物，发现柠檬可以抗坏血病，于是给船员大量饮用生柠檬汁。所以，他的船员没有一人得坏血病。后来，英国的航海者被人称为“柠檬子”。
弄清新西兰的真面目以后，库克准备到巴塔维亚去检修船只，然后回国。但强烈的探险欲望，使他决定在修船之前到澳大利亚进行考察。他们从新西兰西海岸出发，驶向塔斯马尼亚，希望在那里发现大陆，因为库克一直以为塔斯马尼亚与澳大利亚是连成一片的大陆。1770年4月21日，“奋斗”号到达了塔斯马尼亚的东南角，然后往北。为了避风，库克把船锚泊在巴塔尼湾，准备登岸寻找补给品。但当地土著居民早就对白人怀有戒心，用棍棒和刀箭来迎接他们。库克只好沿澳大利亚东海岸北上。7月，库克发现前面的航路被阻塞了。原来，他们进入了大堡礁海区，巨大的珊瑚礁把“奋斗”号牢牢地围困住。库克和他的118名考察队员潜入海底，炸掉珊瑚礁，终于打开一条通路，把船驶进了一个河口。经过休整，他们又继续北上，到达了约克角。
这时库克才确信，新几内亚同澳大利亚是分离的，因为它们之间隔着一个海峡。其实，早在164年前，葡萄牙航海家托雷斯就发现了这个海峡，并以他的名字命了名。库克发现这里岛屿和珊瑚礁星罗棋布，就把它们详细绘入了海图。
1770年11月，“奋斗”号抵达巴塔维亚，但蔓延着的痢疾和疟疾，夺走了库克船队1／3人的生命。
1771年7月12日，“奋斗”号回到了英国。库克的这次航行，并没有发现什么“南大陆”。贪婪的英国政府就又任命库克为总指挥，再次组织寻找新陆地的航行，对南纬40 °以南的地区进行考察。破损不堪的“奋斗”号早已不能再担当这项任务了，皇家科学院又拨给他两艘独桅船，一艘名为“果敢”号由库克指挥，并首次装上了天文钟；另一艘“冒险”号由托拜厄斯·弗尔诺指挥。他们于1772年7月13日，起锚驶向南大洋。
过好望角后，库克的船队便向东南驶去，以寻找1739年法国人布维特发现的一个海岛。布维特认为该岛是南大陆的顶端，库克不同意这个看法。他按照布维特所说的纬度考察。越往南走气候越寒冷，冰雪寒风扑面而来，令人难以忍受，但船队仍然勇敢地前进。1773年1月中旬，他们进入了南极圈。巨大的冰山迫使他们中断了探险，船队不得不向北回驶。后来他们到达了克尔格伦岛和克罗泽群岛。这两个岛都是因法国探险家克尔格伦和克罗泽在此遇难而命名的。这是库克在南纬40 °以南看见的唯一陆地。然后，他们向东驶向澳大利亚东海岸。海上罕见的大风和大雾，使“果敢”号和“冒险”号失去了联系。直到5月份，他们才在新西兰西部海域重新会合。此时，库克通过实地考察，已证明南半球1／3的水域中根本不存在什么大陆。
在新西兰修船整顿之后，库克的探险队花了几个月的时间，在新西兰以东的南纬41 °至46 °之间进行了广泛的考察，因为这里还从未有人考察过。库克在到达皮特克思岛后，转向西北，再一次抵达塔希提岛。然后，又对汤加群岛进行了考察。库克曾把这个群岛命名为友谊群岛，但它并不是库克首先发现的，早在 1643年，塔斯曼就对这些岛屿进行过考察。
在返回新西兰的途中，他们又遇上了大风，“冒险”号再一次失踪，库克虽经多方寻找，但在他返回英国之前，始终没有找到。弗尔诺指挥的“冒险”号与库克失掉联系后，于1773年11月底离开新西兰，在南纬56 °至61 °之间向南航行，绕合恩角返回英国，成了第一个从东线绕地球一周的航海家。
与此同时，库克指挥的“果敢”号再一次进入高纬度海域，进行“之”字形的考察航行，先后两次进入南极圈，最远到达南纬71 °。库克证实，南半球只有澳大利亚和南极这块不毛之地可以称作大陆，并不存在什么“南大陆”。
随后，库克又奉命北上，去发现太平洋中部未被发现的地方。他在南纬40 °至10 °之间进行了探险，但没有任何新的发现。他对马克萨斯群岛进行了详细的测绘，这里虽在170年前就被门达那发现，但并没有人进行过考察。然后，库克又第三次来到塔希提岛，并在那里逗留了几个月。随后又对社会群岛、友谊群岛、圣埃斯皮里图群岛进行了测绘，并把后者命名为新赫布里底群岛。此外，库克还发现并命名了新喀里多尼亚群岛、派恩斯岛和诺福克岛。1775年7月29日，库克的“果敢”号返回英国，胜利地完成了第二次探险。
由于探险考察的卓著成绩，库克被英国皇家学会正式接收为会员，并荣获了“科普利”金质奖章；同时，皇家海军也任命他为小舰队的上校舰长。
1776年，库克奉命进行第三次探险。这一次是驶过北极海，打通太平洋到大西洋的北部航路。这是英国政府梦寐以求的一条航路。库克的船队又一次来到了塔希提岛。在上一次探险时，库克曾把一名土著居民的小头目带回英国。这位土著居民受到了国王乔治三世的接见。乔治三世以个人的名义送给塔希提岛居民各种礼物，包括奶牛和各种家禽。库克兼作特使，送这位土著居民和礼品回岛。
1778年1月18日，库克发现了夏威夷群岛。这里绿树成荫，风和日丽，一派升平景象。当地的居民像迎接天神一样欢迎了库克的到来。忠实于皇家海军的库克，为了表示他对海军大臣桑威奇的感恩戴德，就把这个群岛命名为桑威奇群岛。
库克在这里补充了淡水、新鲜水果、蔬菜和粮食后，又继续北上。3月7日，他们到了北纬45 °的北美西海岸。此时，海上风暴把船帆撕破了，桅杆也发生了倾斜，不修理就无法再继续航行了。实际上，这次探险的准备工作一开始就做得不充分。“果敢”号经过几年的海上漂泊，已经破损了，他们只作了小修小补；另一条独桅探险船“发现者”号，也是没有很好修理的旧船。所以，两条船一开始就不断出毛病。库克和他的船员们虽然凭着丰富的航海本领，边行驶边修补，但船只仍旧经不起长久的风吹浪打，因而不得不在加拿大的鲁帕特港整修。
到达北纬60 °时，库克发现海岸突然向西延伸，形成了一个很大的海湾，这就是阿拉斯加湾。库克沿着阿拉斯加半岛的南岸进行详细的考察。这里经常出现浓雾，他们又没有这一带的海图，库克完全凭着自己丰富的航海经验摸索着前进。后来，库克穿过阿留申岛海区，进入了白令海峡，一直驶到北纬70 °的海区。由于这里出现了冰山，而且寒冷异常，库克断定他们已进入了北极海域。巨大的冰山阻止了他们的前进，他们不得不返回夏威夷群岛。
库克对夏威夷群岛进行了详细的考察和精确的测绘。1779年1月17日，探险队在檀香山登陆，准备对两条船进行大修。
同上次一样，库克一行又受到了当地土著居民的热烈欢迎。他们为探险队举行了隆重的欢迎仪式，当地的神父号召居民拿出最珍贵的礼品送给考察队。谁知，乐极生悲，一场悲剧发生了。
2月13日，考察队的一名船员因一点小事同当地人发生了口角，激怒了波利尼西亚人。一些土著人抢走了探险队的一只小艇以示警告。库克认为这冒犯了白种人的尊严，便派人把当地土著居民的一个首领抓来作为人质。这下激化了矛盾，土著人几乎倾城而出，举着棍棒和刀枪，蜂拥而来，将库克一伙团团围住。双方展开了一场激战，库克当场被杀。
库克死后，“发现者”号船长克利尔克虽被打伤，但仍指挥船员把船修好，领导探险队再次北上。克利尔克船长病死途中，另一位船长接替指挥，取道中国广州，绕经好望角，于1780年10月返回英国，结束了库克没有完成的这次贯穿三大洋的探险。
库克51岁捐躯夏威夷群岛。纵观他的一生，绝大部分时间是在海上度过的。库克三次探险，最大的科学成就在于澄清了地理大发现时期遗留下来的许多捉摸不定的问题，并对新发现的印度洋和太平洋的几乎所有岛屿进行了详细的考察，确定了精确的地理位置。尽管库克的航海探险是为英国殖民政策服务的，但他的科学态度和为科学献身的精神却是值得肯定的。