Очолював три кругосвітні експедиції з дослідження Світового океану (1768-1771, 1772-1775 і 1776-1779 роках). Під час цих експедицій здійснив низку географічних відкриттів.
30 жовтня 1772 року у Кейптауні до мореплавців приєднався ботанік Андерс Спаррман. Потім команда рушила на південь. Тривала подорож принесла результат – 17 січня 1773 року вперше в історії експедиція Джеймса Кука перетнула Південне полярне коло.
1 червня 1770 року Його Величності Корабель "Індевор", яким командував англійський дослідник, картограф капітан Джеймс Кук, налетів на мілину (Великий Бар'єрний Риф) біля узбережжя Австралії.
Він відкрив Нову Каледонію, Гавайські острови та кілька архіпелагів Тихого океану. На його честь у ХІХ столітті острови Херві були перейменовані на острови Кука.