Вскоре после возвращения Куку было присвоено звание капитана фрегата, после чего Королевское общество поручило ему снова отправиться в Южные моря в поисках южного континента. Во время своей первой поездки Кук продемонстрировал, что Новая Зеландия не привязана ни к одной земле, и оценил размеры Австралии.
Кук отправился на борт судна в сопровождении Тобиаса Фурно. Он оснащен новым хронометром типа K1, который позволит точно рассчитать долготу. Экспедиция спустилась очень далеко на юг, пересекая 17 января 1773 года Антарктический полярный круг и достигая 71°10' южной широты. Кук также открыл для себя Южную Георгию и Южные Сандвичевы острова. Обе лодки потеряли друг друга из виду в тумане Антарктиды, и Фурно отправился в Новую Зеландию, где потерял часть своих людей в битве с маори, прежде чем отправиться в Великобританию. Тем временем Кук продолжил исследования района Антарктики. Он проезжал мимо материка, не видя его, и поднимался на Таити, чтобы забрать свои запасы. Затем он снова окунулся на юг в надежде добраться до мифического континента, но безуспешно. Он вновь принял на борт таитянина по имени Омай, который менее знаком с географией Тихоокеанского региона, чем Тупайа. Обратный путь ведет его в Тонгу, остров Пасхи, остров Норфолк, Новую Каледонию и Новые Гебриды. В его докладе содержится четкий вывод о том, что австралийской мифической "терры" не существует.
В январе 1774 года он написал, что хочет уйти "не просто дальше, чем ни один человек не заходил до меня, но так далеко, насколько я считаю, человек сможет зайти".
В конце этой второй поездки Кук был повышен до капитана, и Королевское общество предложило ему почетный выход на пенсию в качестве офицера Гринвичской больницы. Его слава вышла за рамки адмиралтейства: Королевское общество принимает его в свои ряды и награждает медалью Копли, Натаниэль Дэнс-Холланд пишет его портрет, писатель Джеймс Босвелл приглашает его за свой стол, а Палата лордов называет его "величайшим мореплавателем в Европе". Однако он пропустил путешествие и готовился к третьей поездке в Северо-Западный проход. Из Тихого океана он отправляется на восток, надеясь добраться до Атлантики, в то время как вторая лодка встречает его в противоположном направлении.
Двенадцать лет плавания Кука в Тихоокеанском регионе принесли европейцам богатые знания о регионе. Он обнаружил несколько островов и точно нанес на карту большую часть побережья. С первой поездки он был в состоянии точно рассчитать свою долготу, что было совершенно не очевидно в то время, потому что это требует большего времени и знаний. При содействии астронома Чарльза Грина он использовал новые таблицы из морского ежегодника, в которых использовал угол между Луной и Солнцем (по дню) или одну из восьми самых ярких звезд (по ночам) для определения времени в Королевской обсерватории в Гринвиче, которое он сравнивал с местным временем, определяемым высотой над уровнем моря Солнца, Луны или звезд. Во время своей второй поездки он взял на борт секундомер. Это была копия часов производства Джона Харрисона, первого прибора, способного точно определять время в море и отправленного в 1761 году в Дептфорд.
Кука сопровождали художники (Сидней Паркинсон сделал 264 рисунка до своей смерти в конце первой поездки, Уильям Ходжес представлял многие пейзажи Таити и острова Пасхи) и известные ученые. Джозеф Бэнкс ( открыл Банксию ) и Даниэль Соландер собрали 3000 видов растений.
Кук стал первым европейцем, установившим тесный контакт с несколькими народами Тихоокеанского региона. Он справедливо приходил к выводу, что между ними существует связь, несмотря на тысячи миль океана, который разделял их.
Место убийства Кука на Гавайских островах отмечено белым обелиском и отделено от остальной части острова: это место принадлежит Великобритании. Портрет Кука изображен на монетах США в 1928 году, на пол доллара с Гавайских островов, приуроченных к 150 - летию Гавайев. Он был выпущен по случаю 150-летия открытия островов.
Джеймс Кук женился на Элизабет Бэттс в 1762 году. У них было шесть детей, самые старшие из которых достигли совершеннолетия, но умерли в возрасте 31 года без потомства.
- Джеймс ("Джейми") (1763 года рождения - утонул в 1794 году);
- Иосиф (родился и умер в 1768 году);
- Елизавета ("Элли") (1767 г. рождения - умерла 1771 г. );
- Джордж (родился в 1772 году, во время первого полета - 1772 года);
- Натаниэль ("Натан") (1764 года рождения - умер в 1780 году во время урагана):
- Хью ("Бенни") (1776 г.р. - умер в 1793 г., во время учебы в Кембридже).
