Джеймс Кук, которому снова поручили подготовку экспедиции, предположил, что неведомый континент, если и существует, то находится где-то в районе Южного полюса. В ноябре 1771 года, Кук получил звание командира Королевского флота и был официально назначен руководителем исследовательской экспедиции, состоящей из двух кораблей: капитаном «Резольюшена» стал сам Кук, а «Адвенчера» — Ферно. Бенкс хотел снова принять участие в путешествии вместе с Куком, но из-за разногласий с Адмиралтейством в плавание среди двухсот человек, входивших в состав экспедиции, вместо него отправились отец и сын Форстеры.
Путешествие началось 13 июля 1772 года, когда оба корабля отплыли из Плимута. Сначала путешественники исследовали воды у южной оконечности Африки, а затем, обогнув мыс Доброй Надежды, отправились на юго-восток, навстречу неизвестности. Двенадцатого декабря путь экспедиции преградили сплошные льды. Но остановить бесстрашного капитана Кук было не так-то просто, плавание продолжалось в неимоверно сложных условиях: деревянные борта и мачты обледенели, паруса, казалось, могли рассыпаться хрусталём при первом порыве штормового ветра. Рассеявшийся туман открыл глазам путешественников снежную пустыню, вокруг вальяжно проплывали великаны изо льда — айсберги. Семнадцатого января 1773 года экспедиция под командованием Кука пересекла Южный Полярный круг — это случилось впервые в истории мореплавания.
Среди льдов Кук, естественно, не обнаружил и ничтожного клочка суши, а потому вынужден был возвращаться на север, опять не отыскав Южного материка. Двадцать пятого марта «Резольюшен» пересёк Индийский океан и пристал к берегам Новой Зеландии, а «Адвенчер» под командование капитана Ферно от арктических льдов отправился строго на север. Кук пробыл на острове около двух месяцев, а в июне, воссоединившись с «Адвенчером», отправился на дальнейшие исследования Тихого океана.
Экспедиция посетила острова Таити и Тонга, попутно были открыты острова Харви, впоследствии названные островами Кука. Однажды во время шторма корабли разошлись и больше не встречались: Ферно вернулся в Англию, потеряв часть экипажа в стычке с аборигенами. В это время, не привыкший сдаваться и уступать трудностям, Джеймс Кук снова повёл свой корабль к южному полюсу. На этот раз ледяная пустыня оказалась чуть гостеприимней, и 30 января 1774 года «Резольюшен» достиг самой южной точки всего путешествия 71°10' южной широты.
Покидал полярные воды Кук в полной уверенности, что если таинственный материк и существует, то он спрятан далеко во льдах, а значит, не пригоден для жизни и не представляет никакой экономической выгоды. Возвращаться домой отважный капитан решил, снова посетив Новую Зеландию. По пути к землям, населённым суровыми воинами маори, «Резольюшен» побывал на острове Пасхи, Маркизских островах. Также были открыты острова Ниуэ, Новая Каледония и архипелаг Эспириту-Санто, переименованный Куком в Новые Гебриды. Совершив остановку у берегов Новой Зеландии, Кук пересёк Тихий океан и за мысом Горн открыл остров Южная Георгия и Южные Сандвичевы острова.
Тридцатого июля 1775 года Джеймс Кук вернулся в Англию. В отличие от первой экспедиции, на этот раз погибло всего несколько человек из экипажа «Резольюшена»: наученный горьким опытом Кук не только запасал продукты и фрукты богатые витамином С, но и строго следил за тем, чтобы каюты содержались в чистоте и регулярно проветривались, а матросы соблюдали элементарные правила личной гигиены.
Огромно значение открытий, сделанных за три года второго плавания Джеймсом Куком. Первым из мореплавателей он достиг океанских полярных широт, а также доказал, что все океаны соединяются в единый Южный океан на широтах южнее Африки и Америки. За время путешествия «Резольюшен» трижды пересекал полярный круг, а всего преодолел 84000 километров — это более чем в два раза превышает длину экватора, опоясывающего Землю. В рапорте Адмиралтейству Кук указал, что если Южный материк во льдах и существует, то достичь его невозможно. Этот вывод опровергли русские мореплаватели Беллинсгаузен и Лазарев, которые в 1820 году практически доказали существование Антарктиды.
После двух долгих экспедиций Кука произвели в капитаны первого ранга, а также почётно приняли в члены Королевского географического общества. Кук мог заслуженно наслаждаться славой и спокойной жизнью, благо капитану предложили должность правителя Гринвичского морского госпиталя — тёплое тихое местечко, о котором, наверное, только и мечтала Элизабет Баттс, которая вышла замуж за Кука в 1762 году. Сын чернорабочего стал желанным гостем светских мероприятий, его принимал сам король Англии Георг III.
Но ничто не могло удержать неугомонного мореплавателя на земле, когда в бескрайних водах океана оставались неисследованные земли — он снова оставлял жену, оставлял светское общество, ради новых открытий. Целью третьей экспедиции было обнаружение Северо-Западного прохода из Тихого океана в Атлантический, который европейцы искали долго, на протяжении двухсот лет, и безуспешно.