1768年，英国人为了阻止法国人和西班牙人在太平洋上进行的搜寻“南方未知大陆”的活动，同时也为了将来英国在南太平洋地区建立霸权寻找落脚点，英王乔治三世批准组建探险队，去完成这些复杂的使命。还有一点就是这支探险队还负有到南太平洋某岛上对1769年6月3日将发生的金星凌日现象进行科学观测的任务。年已40岁的詹姆斯·库克经海军部推荐被任命为探险队指挥官。
1768年8月26日，“努力”号三桅帆船在库克指挥下驶出了泰晤士河口，踏上了库克第一次环球航海的航程。船向南航行，越过赤道后转向西，于11月13日到葡属巴西。12月8日离开巴西驶向美洲南端合恩角。1769年1月16日到达火地岛，不久就绕过合恩角转入太平洋。3个月后到达目的地塔希提岛。他们在岛上成功地观察到了金星凌日现象。完成这项任务后，库克开始了搜寻“南方未知大陆”的航海探险活动。他在南太平洋发现了后来以他名字命名的库克群岛。到达新西兰，发现新西兰是由两个岛组成的，并绕两岛进行
了环岛勘探航行。1770年4月，因为重返合恩角回国的航线风暴强烈，库克决定向西航行，绕过非洲的好望角返航。在西返途中，到达澳大利亚。他沿着澳大利亚东部海岸北上航行，发现了一系列海湾和地角，留下了许多他命名的地名。1771年7月12日，库克完成第一次环球航海回到英国。
1772年7月13日，库克再次被英国海军部派往南太平洋去寻找南方大陆。这次他率“决心”号和“冒险”号出航。航向与第一次正好相反，这次他先绕过好望角，向南半球高纬度地区航行，并于1773年1月17日越过南极圈，进入南 极，但为冰山所阻，折了回来。库克率船队向东南太平洋航行，一路上又发现了许多群岛和岛屿，如菲诺群岛、友爱群岛、新赫布里底群岛(今瓦努阿图)、新喀里多尼亚岛、诺福克岛等等。他在南纬56度30分处发现并命名的南桑威奇群岛，这是人类首次踏足这一纬线。1775年7月29日，库克乘 “决心”号回到英国，完成了第二次环球航行。
库克的第三次环球航行的目的与前两次不同，这次，他要去北太平洋北美洲高纬度地区，探索太平洋通向大西洋的西北通道或东北通道。1776年7月14日，库克率“决心”号和“发现”号出发，绕过好望角，经库克海峡、汤加群岛、社会群岛北上，发现圣诞群岛、夏威夷群岛、桑威奇群岛，到达自令海。穿过白令海峡进入北极圈。1779年2月14日，库克回到夏威夷群岛，与当地土著人发生冲突，被土著人杀死。
詹姆斯·库克是继哥伦布、达·伽马、麦哲仑之后在航海探险中做出最大贡献的航海探险家，他在太平洋、南大西洋、印度洋、北冰洋和南极洲海域的探险活动，范围之大、发现之多，都是其他航海家无法比拟的。他还是首次进入南北极圈航行的航海家。