Через год после первого путешествия было принято решение начать второе путешествие под командованием Кука. На это раз в пользование Куку предоставили два таких же корабля как «Эндевор». Кук должен был совершить кругосветное путешествие в широтах Антарктики.

Во время этого путешествия Кук впервые опробовал морские часы (хронометр), которые были созданы Джоном Гаррисоном и оказались очень точными, а это означало, что не только Кук, но и другие мореплаватели смогут точнее измерять долготу и широту, чем прежде.

В период с января 1773 года по январь 1774 года корабли Кука входили в полярный круг несколько раз, но из-за сильных холодов были вынуждены возвращаться назад. После этого Кук отправился в Новую Зеландию, где торговал с племенами Маори. Затем снова побывал на Таити, где островитяне приняли его. Двое островитян приплыли на его корабле в Англию.

Кук так же исследовал Меланезийские и Полинезийские острова, перед тем как отправиться в Англию через Южную Африку. Во время этого путешествия многие из команды Кука погибли от болезней, а некоторые были убиты во время встречи с племенами Маори.

После этого путешествия он получил повышение и стал капитаном корабля в звании «кептэн» Сам король Англии Георг третий назначил ему повышение.