Возглавлял три экспедиции по исследованию Мирового океана, все были кругосветными. Во время этих экспедиций совершил ряд географических открытий. Обследовал и нанёс на карту малоизвестные и редко посещаемые до него части Ньюфаундленда и восточного побережья Канады, Австралии, Новой Зеландии, западного побережья Северной Америки, Тихого, Индийского и Атлантического океанов. Благодаря тому вниманию, которое Кук уделял картографии, многие из составленных им карт по своей точности и аккуратности не имели аналогов на протяжении многих десятилетий и служили мореплавателям вплоть до второй половины XIX века.