Pierwsza podróż (1768-1771)
W 1766 r. Cookowi zostało zlecone odbycie podróży na południowy Pacyfik aby zaobserwować przejście Wenus przez tarczę słoneczną. Wyrusza z Anglii w 1768 r. Opływa przylądek Horn i kontynuuje podróż w kierunku zachodnim. Dopływa do Tahiti w kwietniu 1769 r., gdzie przeprowadza nakazane obserwacje astronomiczne. Po zakończeniu obserwacji Cook popłynął w kierunku zachodnim wypełniając tym samym swój drugi cel podróży jakim było zbadanie czy istnieje na półkuli południowej nowy nie odkryty kontynent tzw. "Terra Australis Incognita". Odkrywa także cieśninę Cooka. Następnie obierając za cel ziemię Van Diemena sprawdza czy nie jest ona rzekomym południowym kontynentem. Jednak statek zostaje zniesiony bardziej na północ. Dociera do nieznanego lądu, w miejscu, które obecnie jest częścią wybrzeża Australii. Ekspedycja płynęła wzdłuż wybrzeża na północ. Tydzień później załoga dociera do zatoki wcinającej się wewnątrz lądu. Podróż dalej odbywała się w kierunku północnym. Dalej popłynięto w stronę obecnego półwyspu Jork a następnie przez cieśninę Torresa. Po powrocie Cook stał się kimś w rodzaju bohatera dla społeczności naukowców.
Druga podróż (1772-1775)
Królewskie Towarzystwo Naukowe zleciło Cookowi ponowne poszukiwania mitycznej "Terra Australis. Ponieważ Cook opływając Nową Zelandię udowodnił że nie jest ona częścią żadnego większego lądu, przypuszczano, że "Terra Australis" leży bardziej na południe od pierwszej trasy ekspedycji. Tym razem w skład ekspedycji wchodziły dwa okręty "Resolution" i Adventure". Wyprawa jako pierwsza przekroczyła południowe koło podbiegunowe w 1773 r. Odkryto m.in. wyspy: Płd. Georgię i Płd. Sandwich.. Cook dalej badał Antarktydę (a raczej jej okolice bo samego lądu nigdy nie ujrzał). W czasie podróży powrotnej przebywano na następujących wyspach: Wyspy Przyjacielskie, Wyspa Wielkanocna oraz Vanuatu. Podróż ta udowodniła ostatecznie, że "Terra Australis" jest tylko naukową mrzonką. Ważną częścią wyprawy było także udowodnienie przydatności dopiero co wynalezionego chronometru, który służył do dokładnego pomiaru długości geograf.Po tej podróży Cook otrzymał honorową emeryturę z marynarki wojennej. Jednak on chciał odbyć trzecią podróż, tym razem w celu odnalezienia przejścia płn.-zach. pomiędzy Atlantykiem i Pacyfikiem.
Trzecia podróż (1776-1779)
Na swoją trzecią podróż Cook wyruszył na statku Discovery w lipcu 1776 r., towarzyszył mu na okręcie Resolution kapitan Charles Clerke. Brytyjczycy opłynęli najpierw Przylądek Dobrej Nadziei następnie wpłynęli na Pacyfik w rejonie Nowej Zelandii, później dotarli do Tahiti. W 1778 r. jako pierwsi Europejczycy zobaczyli Hawaje. Następnym celem ekspedycji było północno-zachodnie wybrzeże Ameryki Północnej, które dotychczas było słabo zbadane. W 1778 r. dostrzeżono brzegi obecnego stanu Oregon. Szukając przez pewien czas stałego lądu ujrzano w końcu linię brzegową 29 marca. Była to wyspa Vancouver, którą Cook wziął za część stałego lądu. W miejscu tym przebywano prawie miesiąc. Dobrze układała się współpraca z mieszkańcami tych ziem (Nootkami). 26 kwietnia 1778 r. brytyjskie okręty udały się z Nootki na północ. W 1779 r. Cook wraca na Hawaje. 14 lutego 1779 r. w zatoce Kealakekua, kilku Hawajczyków ukradło jedną z łodzi Cooka. Prawdopodobnie nic poważnego by się nie stało gdyby Cook nie wrócił na plażę w celu zabrania z powrotem kilku towarów skradzionych przez krajowców, dobra te nie przedstawiały większej wartości ale kapitan uparł się żeby odebrać je Hawajczykom. Rozpętało się prawdziwe piekło, Cook został zatłuczony na śmierć pałkami. Zgodnie ze słynną legendą, Cook został zjedzony. Jednak część ciała ze względu na szacunek jakim kapitan cieszył się u wyspiarzy została zachowana a później zwrócona Brytyjczykom. Od tej pory dowodzenie ekspedycją przejmuje Clerke. "Resolution" i "Discovery" wracają do Anglii ostatecznie w 1780 r.