В 1772 году Адмиралтейство приступило к подготовке ко второй экспедиции в Тихий океан.
Конкретные цели, которые поставило Адмиралтейство перед второй экспедицией Кука, неизвестны. Известно лишь, что в задачи экспедиции входило продолжение исследования южных морей. Совершенно определенно, настойчивые попытки Кука проникнуть как можно дальше на юг имели целью найти Южный материк. Вряд ли Кук действовал подобным образом исходя лишь из личной инициативы, поэтому представляется очень вероятным, что открытие Южного материка было одной из целей экспедиции, хотя о подобных планах Адмиралтейства ничего и не известно.
Вторая экспедиция Д. Кука (1772—1775 гг.) была связана с географическими и политическими проблемами, поставленными в повестку дня на начальном этапе европейской экспансии в моря южного полушария. Организация второй экспедиции Кука, произведенного после возвращения на родину в капитаны, была связана с большой активностью, которую французы в это время проявили в южных морях. По крайней мере четыре французские экспедиции были посланы в конце шестидесятых годов на поиски Южного материка. Они связаны с именами Бугенвиля, Сюрвиля, Мариона дю Френа, Кергелена. У французов поиски Южного материка также не были вызваны научными интересами. Инициатива исходила от купеческой французской Ост-Индской компании, заботившейся, конечно, только о своём обогащении; именно она снарядила экспедицию Сюрвиля так же, как в первой половине XVIII века — экспедицию Буве, о которой упоминает Кук. О результатах этих французских экспедиций (кроме экспедиции Бугенвиля) в Лондоне еще не знали и тем более поэтому тревожились. Решено было послать два корабля (французы посылали по 2—3 корабля вместе) и поставить во главе новой экспедиции капитана Кука, успехи которого произвели огромное впечатление в Англии. Адмиралтейство так спешило с этим делом, что Куку дали после составления им подробного отчета о первом путешествии только три недели отдыха (в декабре 1771 года) — после трехлетнего плавания.
Безусловно, Королевское общество приложило к этому свою руку — оно считалось полуправительственной организацией и представляло собой мощную силу в обществе. Несомненно, позиция самого Кука была далека от пассивной в этом вопросе: подобно всем великим первопроходцам, стоило ему вкусить радости и удовлетворения от проникновения в неведомое, и он бы никогда не успокоился, пока снова не вступил бы на этот путь. Несомненно, что ведущие географы того времени, в особенности Александр Далримпл, который продолжал верить в свою идею Южного материка, стали бы торопить организацию второй экспедиции. Но всем понятно, что реально принимали решения только лорды Адмиралтейства. Они думали о возможности того, что Кук и в самом деле натолкнется на мифический Южный материк, или на какую-нибудь другую страну или остров, не открытые до сих пор, и присоединит их с его обычной оперативностью к Британской короне; интригующе приятная и вовсе не невозможная мысль, поскольку Южные моря оставались в своем большинстве неизведанными. Более вероятно, что они сказали Куку, что он должен отправиться в другое героическое путешествие для открытий — и не важно, в каком направлении он отправится, — которые принесут новое доверие, честь и славу ему и его стране, а заодно и им, лордам Адмиралтейства. В подтверждение подобной точки зрения следует заметить, что при втором путешествии, самом страшном, какие когда-либо предпринимались, Кук не получил специальных инструкций. Можно мимоходом отметить, что никто никогда бы не предпринял такое путешествие еще раз, потому что, когда Кук закончил его, в высоких широтах южного океана мало что осталось открывать. Нет сомнения в том, что Кук получил карт-бланш относительно того, куда он должен был плыть и что он должен был делать.
Сам Кук описывает свои инструкции в собственных дневниках так:
Главными кандидатами на должность начальника экспедиции были Джеймс Кук и Джозеф Банкс. Известно, что в ходе подготовки к экспедиции между Адмиралтейством и Банксом возникли разногласия, в результате чего Банкс отказался от участия в экспедиции. Руководителем экспедиции вновь стал Джеймс Кук.
Экспедиции выделили два корабля — «Резолюшн» водоизмещением 462 тонны, которому отводилась роль флагмана, и «Эдвенчер», имевший водоизмещение 350 тонн. Капитаном на «Резолюшн» был сам Кук, на «Эдвенчер» — Тобиас Фюрно. Лейтенантами на «Резолюшн» были: Джон Купер, Ричард Пикерсгилл и Чарльз Клерк.
В экспедиции принимали участие натуралисты Иоганн Рейнхольд и Георг Форстеры (отец и сын), астрономы Уильям Уэллс и Уильям Бэйли, художник Уильям Ходжес.
13 июля 1772 года корабли вышли из Плимута. В Кейптауне, куда прибыли 30 октября 1772 года, к экспедиции присоединился ботаник Андерс Спаррман. 22 ноября корабли покинули Кейптаун, взяв курс на юг.
В течение двух недель Кук искал так называемый остров Обрезания, — землю, которую увидел впервые Буве, однако не смог точно определить ее координаты. Предположительно остров находился приблизительно в 1700 милях южнее мыса Доброй Надежды. Поиски ничего не дали, и Кук отправился дальше на юг.
17 января 1773 года корабли пересекли (впервые в истории) Южный полярный круг. 8 февраля 1773 года, во время шторма, корабли оказались вне пределов прямой видимости и потеряли друг друга. Действия капитанов после этого были следующими.
7 июня 1773 года корабли вышли из залива Шарлотты и направились на запад. Во время зимних месяцев Кук хотел заняться исследованием малоизученных районов Тихого океана, прилегающих к Новой Зеландии. Однако из-за обострения цинги на «Эдвенчуре», которое было вызвано нарушениями установленного режима питания, пришлось посетить Таити. На Таити в рацион команд было включено большое количество фруктов, таким образом удалось вылечить всех цинготных больных.
После Таити Кук посетил остров Хуахине, на котором ему удалось приобрести около 300 свиней. Несмотря на то, что с островитянами и их вождем были установлены прекрасные отношения, некоторые члены экспедиции подверглись на этом острове нападению злоумышленников. Так, 6 сентября Спарман был ограблен и избит, угрозе нападения подвергся и сам Кук. 7 сентября, перед самым отплытием, к экспедиции присоединился Омай, житель близлежащего острова Ульетеа, куда Кук собирался сразу после Хуахине.
Ульетеа увидели вечером того же дня. На этом острове было куплено столько свиней, что их общее количество, по оценкам Кука, достигло 400 голов. На Ульетеа Кук взял с собой еще одного островитянина по имени Эдидей.
Следующими островами, где побывал Кук, были Эуа и Тонгатабу, жители которых настолько поразили Кука своим дружелюбием и доверием, что Кук назвал эти острова вместе с третьим островом, находящимся неподалеку, островами Дружбы. Это название, утратившее впоследствии статус официального, употребляется до сих пор.
Капитан Джеймс Кук — путешественник, исследователь и картограф на почтовой марке Новой Зеландии, 1940,
У берегов Новой Зеландии, куда Кук отправился после островов Дружбы, корабли попали в шторм и снова разошлись. Переждав шторм в проливе Кука, «Резолюшн» вернулся в залив Шарлотты, условленное место встречи, однако «Эдвенчура» здесь еще не было. Во время трехнедельного ожидания англичане стали свидетелями сцен каннибализма среди местных жителей.
Так и не дождавшись «Эдвенчура», Кук двинулся на юг, оставив на берегу записку для капитана Фюрно. В ней Кук обозначил места, которые собирался посетить после возвращения из полярных морей, и предложил Фюрно либо попытаться встретиться, либо вернуться в Англию. «Эдвенчур» пришел в залив Шарлотты спустя неделю после отплытия Кука. 17 декабря 1773 года произошло чрезвычайное происшествие — восемь матросов во главе с двумя боцманами, направленные на берег за свежими овощами, были убиты и съедены новозеландцами. Капитан Фюрно принимает решение (возможно, под впечатлением от произошедшего накануне) возвращаться в Англию. На следующий же день (18 декабря) Фюрно покидает Новую Зеландию, и направляется в Кейптаун. Пополнив запас продовольствия и оставив Куку записку, Фюрно возвращается в Англию.
Из залива Шарлотты, так и не дождавшись Фюрно, Кук отправляется в полярные воды и 21 декабря 1773 года второй раз пересекает Южный полярный круг. 30 января 1774 года, когда «Резолюшн» достиг 71° 10' ю.ш., путь был прегражден сплошным полем пакового льда. Это была самая южная точка, которую удалось достичь Куку за все время его путешествий.
Посетив остров Пасхи (12 марта 1774 года), Маркизские острова (7 апреля 1774 года) «Резолюшн» 22 апреля 1774 года снова подходит к берегам Таити. Здесь Кук становится свидетелем подготовки таитян к войне с жителями соседнего острова Муреа. Особенное впечатление на экспедицию произвёл таитянский военный флот, который описывается в журнале Кука следующим образом:
После Таити Кук посетил острова Хуахине и Раиатеа, острова Дружбы. На островах Фиджи экспедиция выдержала несколько стычек с аборигенами. На острове Танна (о-ва Фиджи) были пополнены запасы продовольствия.
3 сентября 1774 года была открыта Новая Каледония. 18 октября 1774 года Кук в третий раз встал на якорь в заливе Шарлотты и пробыл там до 10 ноября.
Посетив Кейптаун, Кук снова — и в последний раз — двинулся в полярные воды. Была открыта Южная Георгия, но и на этот раз достичь Антарктиды не удалось.
21 марта 1775 года Кук возвращается в Кейптаун для ремонта, там же он получает записку, оставленную ему капитаном Фюрно. Из Кейптауна «Резолюшн» направляется прямиком в Англию и 30 июля 1775 года входит в Спитхед.