La guerre de sept ans (1756-1763) éclatant avec la France, il s'engage dans la Marine Royale et joue un rôle dans l’assaut contre le Québec en 1759. Cook participe à l'étude hydrographique du Saint-Laurent. Sa notoriété scientifique est ainsi acquise. A partir de 1763 il dirige les travaux de cartographie de Terre-Neuve.
Sa première expédition est à Tahiti dès 1768. Son rôle: observer une très rare éclipse qu'il apercevra en 1769. De là il mettra les voiles vers la Nouvelle-Zélande afin d'en cartographier les côtes et d'observer les populations locales. Il découvre la côte Est de l'Australie. Il rentre en Angleterre en 1771.
Grâce au succès de son expédition, Cook obtient le commandement d'une nouvelle expédition qui quitte l'Angleterre en 1772. Il atteint l'Antarctique et tente par trois fois de cartographier ces terres du Pôle Sud. Il découvrira et visitera de nombreuses îles en Océanie et rentrera en Angleterre en ayant massivement contribué à la géographie de son époque.
Pour sa troisième expédition, Cook explore le Pacifique Nord pour trouver le chemin vers l'Arctique au Nord de l'Amérique. Il découvrira durant son périple les îles Sandwich (aujourd'hui Hawaï). Il conduit une étude hydrographique et cartographique du littoral nord-américain avant de revenir à Hawaii pour y passer l'hiver.