但是，鍾表的出現大大提高了緯度估測的準確性，不僅能將航行過程的時間誤差縮小到分甚至秒，還能用於確定兩地的不同時間。例如，出發地和某個目的地的時間，還可供計時之用。意識到這一點的重要性，英國政府提出，發明航海精密計時器的人將得到一萬英鎊獎勵，前提是如果該計時器在一年的時間裏誤差不超過指定的分鍾數。這項獎勵的獲得者是約翰·哈裏森。從這時起，即使對天文知識一竅不通，船長們也能夠在幾分鍾內知道自己所處的緯度。哈德利的六分儀和哈裏森的精密計時器是庫克船長完成工作的必不可少的助手。可以說，無論從目標還是使用的工具來看，庫克船長的航行完全是按照英國人的方式來進行的。
詹姆斯·庫克是個經驗豐富的水手。在跟隨沃爾夫探索聖勞倫斯河的時候，他表現出了相當的智慧。後來，他又被任命為紐芬蘭的航海勘測員。當英國皇家學會決定派遣一支探險隊根據哈雷的預測觀察金星淩日的時候，他們不敢將這種探險任務交給一個純粹研究科學的人，例如哈雷本人，因為水手們不會服從他的命令。英國海軍部的首席水道測量家達爾林普爾雖然是最適合的人選，但他也缺乏航海經驗，所以最終決定庫克當選，這也被事實證明是非常正確的決定。庫克選擇了一艘沿海運煤船，名為“奮進”號，載重360噸，因為其橫梁寬度決定了它能夠攜帶更多給養和裝備，還能在靠近海岸線的水域航行。就在他們出發之前，瓦利斯船長環球旅行歸來，發現（或重新發現）了塔西提島，他認為那裏是觀察金星淩日的合適地點。
於是，庫克來到塔西提島。1769年6月3日，他以成功的觀測完成了這次航行的主要目標。但此後他繼續朝更遠的地方行進，不久便來到看上去像塔斯曼發現的斯塔頓蘭德的地方。不過，庫克發現，這裏雖然屬於南方大陸的一部分，但是由兩個島組成，他駕船從兩島之間穿過，將中間的海峽以他的名字命名。1770年3月31日，庫克離開新西蘭。4月20日，他遇到了西方的另一片土地，之前沒有水手知道那個地方。船駛入一個水灣，在探險隊裏的博物學家約瑟夫·班克斯先生的協助下，庫克探索了周邊地區，他發現這裏有許多新奇的植物，所以將此地命名為博塔尼灣。
然後，他沿海岸向北航行，在東海岸遇到一塊大暗礁，差點把船毀掉，但他設法控製著船駛過了暗礁，來到了這片土地的盡頭，這證明它與新幾內亞沒有關係。換言之，他來到了托雷斯海峽的最南端。庫克將這塊廣闊的海岸地區命名為新南威爾士，因為他覺得這裏有些地方與斯旺西相像。通過第一次航行，庫克證明，無論新荷蘭還是斯塔頓蘭德都不屬於偉大的南極大陸，至於這塊大陸究竟是什麼樣的便成了古人留下的唯一謎題，也是地圖上的空白。1772年，庫克開始第二次航行，目的就是解決這個問題。他直接去了好望角，從那裏沿之字形航線環繞了南極，航跡達到探險隊力所能及的最南方，隻在遇到冰層的時候掉頭。即便如此，他也沒有找到傳說中的南極大陸，因此這說明這塊大陸並不存在。在這次航行的剩餘時間裏，他重新發現了很多西班牙人、荷蘭人和英國人曾經登陸過但沒有精確勘察過的群島。後來，庫克從新西蘭航行至合恩角，橫穿了太平洋，但沒有發現任何麵積較大的陸地。值得一提的是，在3年的探險活動中，他隻失去了118名隊員中的4個，隻有一個是病死的。
還有一個海洋地理學的大問題需要解決，就是西北通道是否存在。眾所周知，許多英國航海家都嚐試從哈得孫灣東麵尋找西北通道。1776年，喬治三世派庫克用新的方法解決這個問題——從美洲的西北海岸尋找可能通向哈得孫灣的入口。胡安·德·富卡提到的那個大海灣仍然迷惑著地理學家們，使其認為在西北海岸有可能找到入口。庫克不僅解決了這個問題，還穿過了白令海峽，考察了它的兩邊，確定了亞洲和美洲大陸之間有一個36英裏的缺口。在回程的路上，庫克在歐維夷（夏威夷）登陸，1777年，他在那裏被殺，他的船員匆忙趕回英格蘭，沒有再進行探索活動。