库克感到极为失望的是：整个航行过程中，始终未找到南方大陆。他自己也开始渐渐怀疑起这个南方大陆的存在性了。库克不像哥伦布那样爱好想象，他更多地相信探险的起初结果。他想向东航行，从南太平洋回英国，以证实这个长期纷争不休的南方大陆纯属乌有；而且他自己也这么看。但当时南半球冬季即将降临，手下的海员也希望返航回家，库克权衡再三，还是决定返航。在返航中，库克又有了个新的想法，他知道他们将很快遇到澳大利亚这个未经绘制的大陆。他很想先去澳大利亚看看这块陆地的情况，因为当时还没有一个欧洲人看到过澳大利亚的东海岸。
19天之后，海平线上隐约露出了陆地的阴影。船员们顿时激动起来，因为他们又来到了一块新的大陆。为了找到一个好的海湾停泊努力号船，库克下令继续沿澳大利亚海岸向北航行。他们欣喜地看到陆上翠色喜人，显然这个新大陆是一块富饶的土地，而并不像荷兰人所说的那样荒凉。1770年4月28日，探险队终于找见了一个风平浪静的海湾，努力号便在这里停泊下来。他们在这里发现了许多鲡鱼，库克于是给它取名为鲡鱼湾；后来又更名为植物湾，因为在这里他们采集了大量的植物标本。
在植物湾，库克每天在海岸上升起英国国旗，以此表明这个地区归于英国所有，后来他又宣布整个澳大利亚东海岸为英国所有。为了纪念努力号第一次抵达澳大利亚大陆，他把这天的日期刻在了一棵橡胶树上。在沿澳大利亚东海岸的航行中，库克认真地描绘了海岸线图。在海岸线图中，很明显他已经注意到了悉尼这个优良港湾，可是由于时间太紧，他来不及仔细考察，便匆匆而过了。
到了5月下旬，努力号进入了太平洋上最大的暗礁区——大堡礁。这里的暗礁星罗棋布，随处可见浅滩和刀山似的珊瑚群；这个暗礁区沿着澳大利亚东北部的昆士兰热带海岸延伸了1000多英里。努力号进入这片暗礁区后，其厄运就在所难免了。不久以后，努力号终于在一个巨大的珊瑚礁上搁浅了。库克想尽了一切办法，避开这个暗礁，然而由于周围暗礁分布太多，根本无法回旋，故只好眼睁睁地看着努力号撞在了暗礁上。在无可奈何的情况下，库克下令扔掉船上的一些不很必要的物件：大量的陈旧枪炮、压舱的铁块、石头和腐败食物被抛进了海里，然而却是无济于事。接着更麻烦的事情接踵而至，海水开始退潮，船更重重地压在危险的珊瑚礁上，如果再这样下去，船很可能破裂。等到海水涨潮时，海潮一股股地冲击着船的左舷，整个船身开始倾斜起来。忽然船舱裂开了一个口子，海水从口子里钻了进来，情况十分危急，库克下令开始两部抽水机来抽水，可很快漏进船舱的水便开始漫过抽水机。就在这紧急关头，库克孤注一掷，命令船员合力起锚，摆脱困境。过了一个多小时，船体终于浮了起来，水也不再漏进船舱里了，这使库克和其他船员既感兴奋又感意外。原来起锚时因为用力过猛，锚索竟勾起了一块珊瑚石，它像一个塞子堵住了船上的破洞。库克长长地舒了口气，他赶紧下令让努力号靠岸。在一个河口，船员们对努力号进行了修理。库克见这个河口条件很好，绿草成茵，野兽成群，河中游鱼历历可观，于是下令就地休整。他们在这里过得很愉快，白天上岸打猎，下海捕鱼；晚上便享受这山珍海味。这里的植物种类繁多，他们采集了很多标本；而且也发现了许多珍奇的动物，如大海蛎、袋鼠等。
在这个河口，探险队整整度过了7个星期。8月6日，努力号整修完毕，又开始出海航行了。这次库克吸取了教训，小心谨慎地避开了道道暗礁；终于在1770年8月21日，他们抵达了澳大利亚的北端约克角。库克高超的船海技术在这里得到了出色的发挥。约克角已很接近东南亚了，库克决定由这里通过托里斯海峡到东印度群岛去。很快他们便抵达了荷属港口巴塔维亚（即今之雅加达）。库克下令再次整修努力号，努力号经过两年多的远航，损坏很多。然而船员们很不适应这里潮热的气候，一场瘟疫在船员中流行起来，一下子便死去了73人。库克悲痛不已，赶快返航回国。1771年7月13日，努力号经过了3年的远航终于回到了英国。这次航海，他们给世界地图增加了5000余英里的海岸线，这个成绩是辉煌的。
此后，为了完成环航南极区的计划，库克又曾多次闯进南极区。