1 апреля 1770 г. Кук оставил Новую Зеландию, с тем чтобы взять курс на запад. Природа распорядилась по-иному: сильный ветер отбросил «Индевор» далеко к северу. 19 апреля 1770 г. англичане усмотрели землю у 37°40' ю.ш., т. е. на 550 км севернее, чем Тасман. «Она имеет довольно приветливый вид, — записывает Кук на следующий день. — Умеренной высоты холмы и гряды гор чередуются с равнинами и долинами, на которых виднеются небольшие лужайки. Однако большая часть местности покрыта лесом». Австралийский мыс, обнаруженный первым, получил имя его первооткрывателя — лейтенанта Захария Хикса (на современных нам картах мыс Эверард, у юго-восточной оконечности материка). От этого пункта Кук двинулся к северу, держась близ побережья и ведя съемку. Людей — темнокожих, почти черных — на берегу моряки увидели издали 22 апреля, но первая встреча с восточными австралийцами произошла во время высадки на берег 29 апреля. Они стояли на гораздо более низкой ступени культуры, чем жители о-вов Общества и Новой Зеландии, ходили совершенно голыми. Одни обращались в бегство при виде англичан, другие подходили к ним, вели себя то мирно, то враждебно, но во всех случаях были совершенно равнодушны к европейским изделиям.

28 апреля — 6 мая англичане заготовляли дрова и набирали воду в «удобном и надежном заливе» (у 34° ю.ш.), который Кук назвал Ботани (Ботаническим). 6 мая, выйдя в дальнейший путь, он в нескольких километрах к северу от Ботани увидел другой залив, названный им Порт-Джексон. (Основанный там англичанами в 1788 г. город Сидней теперь «дотянулся» до залива Ботани.)

17 мая моряки прошли мимо о. Мортон и обнаружили за ним залив Мортон. 23 мая «Индевор» обогнул о. Фрейзер и открыл широкий залив (Херви, у 25° ю.ш.). 26 мая за Южным тропиком англичане вступили в полосу, окаймленную Большим Барьерным рифом. Большую часть этой опасной полосы удалось благополучно пройти, но 11 июня у 16° ю.ш. «Индевор» напоролся на риф. Пришлось выбросить за борт шесть пушек и часть полезного груза — всего около 50 т. К северу нашли гавань (теперь Куктаун) и простояли там восемь недель (к радости Банкса), ремонтируя корабль, получивший большую пробоину. Пищи вполне хватало, так как здесь были богатые рыбные угодья и много черепах. 6 августа «Индевор» вышел в море. Судно двигалось лишь днем, и все же в этой опаснейшей акватории, названной Куком «Лабиринтом», 16 августа едва не напоролось на риф. Кук вел корабль в мелководной береговой полосе, усеянной рифами, и 21 августа у 10°40' ю.ш. увидел мыс Йорк и группу небольших островов. За ними 22 августа открылся широкий (Торресов) пролив, ведущий на запад. Теперь уже не оставалось сомнений, что пройденный берег — это восточное побережье Новой Голландии, а мыс Йорк — его северная оконечность. Таким образом Кук проследил почти на всем протяжении (2300 км) гряду Большого Барьерного рифа. 22 августа на одном из островов в Торресовом проливе Кук объявил британским владением все обнаруженное им побережье материка от 10°40' до 37°40' ю.ш., длиной около 4 тыс. км, и назвал его Новым Южным Уэльсом.

Сообщение Торреса оказалось верным: Новая Гвинея была огромным островом, а не частью континента. И все-таки этот пролив англичане некоторое время называли Куковым, несмотря на то, что об открытии Торреса они узнали еще до возвращения Д. Кука — из памфлета Далримпла, опубликованного в 1769 г.

К 16 сентября Кук пересек Арафурское и Тиморское моря и достиг о. Роти, к юго-западу от Тимора. 2 октября он подошел к Яве. Там, в Батавии и у о. Принца, против западной оконечности Явы, «Индевор» находился до 15 января 1771 г., и за это время и в Индийском океане от тропической лихорадки умер 31 человек, в том числе Тупия, между тем как за все время плавания в Тихом океане Кук потерял только одного человека: на борту никто из команды не болел цингой благодаря режиму питания, введенному Куком. 13 июля 1771 г. Кук вернулся в Англию, завершив кругосветное плавание, продолжавшееся почти три года. На итоговой карте плавания Кук показал Тасманию и Новую Голландию (Австралию) как единое целое. Однако в судовом журнале он высказал предположение, что они разделены проливом.