Вторая экспедиция в 1772-75 на двух судах — шлюпе «Резольюшен» и барке «Эдвенчер» — организована с целью поисков Южного материка и обследования островов Новой Зеландии и других. В январе 1773 впервые в истории мореплавания пересек Южный полярный круг (40° восточной долготы) и зашел за 66° южной широты. Летом 1773 еще дважды безуспешно Кук пытался искать Южный материк, дойдя до 71° 10'южной широты. Несмотря на убежденность в наличии близ полюса суши, отказался от последующих попыток, считая невозможным из-за скопления льдов дальнейшее плавание к югу. В Тихом океане обнаружил (1774) острова Новая Каледония, Норфолк и ряд атоллов, а в Южном Ледовитом — Южную Георгию и «Землю Сандвича» (Южные Сандвичевы острова ). Во время плавания в антарктических водах похоронил легенду о гигантском населенном Южном материке (что было опровергнуто Беллинсгаузеном и Лазаревым) . Кук первый встретил и описал плоские айсберги, нареченные им «ледяными островами»