Als zoon van een arme boer ging Cook op zijn veertiende in dienst bij een kruidenier, maar de zee trok hem meer, en hij kwam in dienst van Mrs. Walker, scheepseigenaren uit Whitby, aanvankelijk how to cook parsley root scheepsjongen op een kolenschip. In 1755 stond hij op het punt om zelf het gezag over een schip te krijgen, maar in plaats daarvan veranderde hij van carrière, en ging in dienst bij de Royal Navy. Het volgende jaar stak hij opnieuw de oceaan over, dit keer met als opdracht het in kaart brengen van de kusten van Newfoundland.
Hier was hij tot 1767 mee bezig: ‘s zomers in Newfoundland en ‘s winters thuis in Engeland. In 1766 gebruikte hij waarnemingen van een zonsverduistering om de lengtegraad van Newfoundland vast te stellen. In 1766-1767 werden in Engeland plannen gemaakt voor een wetenschappelijke expeditie naar de Grote Oceaan, met een tweeledig doel. Allereerst was er de Venusovergang die zou plaatsvinden op 3 juni 1769. Het was de bedoeling deze waar te nemen vanuit diverse, ver uiteenliggende plaatsen op de aarde. Een sterke pleitbezorger voor het bestaan van Terra Australis en voor het sturen van een expeditie om deze te vinden, was Alexander Dalrymple. Dalrymple hoopte zelf de leiding over de expeditie te krijgen, maar de Navy vond dat hij te weinig ervaring op zee had en wilde een van haar eigen mensen als leider.
Cook vertrok op 30 juli 1768 uit Deptford, zeilde rond Kaap Hoorn en voer vandaar noordwestelijk naar Vahitahi en vervolgens naar Tahiti, waar de Venusovergang succesvol werd waargenomen. Hij bezocht ook een aantal van de omringende eilanden en noemde de groep de Genootschapseilanden. Hierna keerde hij westwaarts totdat hij de kust van Nieuw-Zeeland bereikte, als eerste Europeaan sinds Abel Tasman in 1643. Zijn doel was Tasmanië, maar de wind dwong hem noordelijker en hij bereikte de oostkust van Nieuw-Holland, in Australië, bij Port Hicks. Cooks eerste reis had het gebied waar Terra Australis zou kunnen worden gevonden sterk ingeperkt. Desondanks waren Dalrymple en anderen er nog altijd van overtuigd dat het moest bestaan. Cook werd na zijn eerste reis bevorderd tot commander.
Cooks tweede reis was erop gericht het continent te vinden dan wel definitief van de kaart te doen verdwijnen. Cook vertrok op 13 juli 1772 uit Plymouth en na een bezoek aan Kaapstad voer hij zuidwaarts. Gezamenlijk voeren de schepen verder oostwaarts, zonder land te zien, en vervolgens noordwaarts naar Tahiti. Via Tonga keerden ze terug naar Nieuw-Zeeland, waar de schepen in een storm opnieuw het contact verloren. Cook keerde terug naar het rendez-vous in Queen Charlotte Sound en wachtte tevergeefs drie weken op Furneaux. Furneaux kwam uiteindelijk een week na Cooks vertrek alsnog aan en keerde daarna naar Engeland terug. Begin 1775 onderzocht Cook het zuiden van de Atlantische Oceaan zoals hij eerder voor de Indische Oceaan en Grote Oceaan had gedaan.
Terra Australis was nu definitief van de kaart: Cook had aangetoond dat een eventueel zuidelijk continent slechts tussen het poolijs kon bestaan, niet in de gematigde streken van het zuidelijk halfrond. Wellicht nog opvallender was dat in een tijd dat het niet ongebruikelijk was dat een derde tot de helft van de scheepslieden op een lange expeditie stierf. In 1776 vertrok Cook voor een derde reis. Dit keer was het doel het noorden van de Grote Oceaan, meer specifiek de kust van Noord-Amerika. Cook diende hier te zoeken naar de Noordwestelijke Doorvaart.
De expeditie telde twee schepen, de Resolution onder Cook zelf en de Discovery onder Charles Clerke, samen 384 man. Vanuit Tahiti voer Cook noordwaarts en ontdekte een eiland dat hij Santa Island noemde, nu Kiritimati, en een eilandengroep die hij de Sandwicheilanden noemde, maar tegenwoordig als Hawaï bekendstaat. Dit keer was Maui het eerste eiland dat Cook in zicht kreeg en dit eiland, evenals de andere eilanden van de archipel, werd in kaart gebracht. De bewoners waren aanvankelijk zeer vriendelijk en zagen Cook aan voor Lono, de god van de voorspoed.
Toen hij echter eerst wilde vertrekken, maar daarna wegens slecht weer terugkeerde naar het eiland Hawaï, verslechterden de relaties aanzienlijk. Clerke nam het commando van de expeditie over en deed een nieuwe poging door de Beringstraat te varen, die echter evenmin succes had. Hij overleed aan tuberculose en het was uiteindelijk John Gore, die het commando had toen de schepen in oktober 1780 terugkeerden naar het vaderland. Londen 13 oktober 1763 – 25 januari 1794, het langst levende kind van James en Elizabeth. James was bevelhebber van het schip Spitfire. Hij stierf aan boord van een sloep waarin hij net voor een storm naar zijn schip werd geroeid, in de haven van Poole Harbour nabij Isle of Wight.
Londen 14 december 1764 – 5 oktober 1780, was bezig aan zijn opleiding bij de marine en stierf tijdens een zware storm nabij het eiland Jamaica. 1767 – 9 april 1771, stierf op 4-jarige leeftijd bij een verkeersongeval onder de hoeven van een paard, tijdens Cooks tweede grote reis. George, 8 juli 1772 – 1 oktober 1772, werd geboren tijdens Cooks tweede grote reis en stierf voor zijn terugkeer. 23 mei 1776 – 21 december 1793, werd geboren tijdens Cooks derde reis, waarvan hij niet terugkeerde. Benny stierf aan een koortsaanval tijdens zijn studie aan het Christ College in Cambridge. Elizabeth Batts overleefde al haar kinderen en stierf op 93-jarige leeftijd.
Haar graf, waar ze samen is begraven met haar zonen James en Hugh, bevindt zich in de kerk van St-Andrew-the-Great in Cambridge. De weduwe kreeg van de Admiraliteit jaarlijks een pensioen van 200 pond. In 1776 ontving Cook de Copley Medal. Het schip dat James Cook gebruikte op zijn eerste reis, de HMS Endeavour, is nagebouwd. Het is nu te bezichtigen in het Australian National Maritime Museum. De vader van Inspector Morse was een groot bewonderaar van James Cook.