Уильям Ходжез был приглашен в качестве художника-пейзажиста; также был взят в команду астроном из Совета по долготе, некий Уильям Уэллс, который вместе с Куком должен был испытать качества хронометра нового типа, измеряя долготу в море. (Другой астроном, Уильям Бейли, выполнявший те же задачи, находился на борту "Эдвенчура".)
13 июля, через год и день после того, как Кук вернулся на "Индеворе", "Резольюшен" и "Эдвенчур" отплыли из Плимута.
Путешествие на юг, в Кейптаун, прошло относительно спокойно. Кук потерял одного матроса, упавшего за борт, а Фюрно - двух матросов, которые заразились лихорадкой во время остановки на островах Зеленого Мыса. (Еще раньше они сделали остановку на Мадейре, чтобы набрать свежих фруктов и овощей и, конечно, пополнить запас мадеры.)
В Кейптаун они прибыли 30 октября. К огорчению Кука, запасы, заказанные заблаговременно, еще не прибыли, и ему пришлось около месяца их ожидать. Пока он находился там, он узнал новости о действиях французских кораблей в Индийском и Тихом океанах. Ходил слух о том, что два корабля из Маврикия обнаружили землю в южном направлении от Маврикия, но это было не так, но на 48-й параллели южной широты, вот это было верно. Два других французских судна, под командованием некоего Мариона Дюфрена, прибыли в Новую Зеландию в марте 1772 года. В июне их руководитель был убит маори в заливе Пленти, и французы уплыли обратно, дав острову название Острель-Франс и объявив его владением французского короля, не зная, что Кук уже объявил его владением Британской короны. Но в отличие от Кука они не обошли остров кругом и не нанесли его на карту.
Находясь в Кейптауне, Форстер встретил прославленного шведского ботаника, бывшего ученика Линнея, Андерса Спармана и попросил разрешения Кука взять его с собой. Тот дал согласие. О беззаботном отношении к путешествиям в те времена может свидетельствовать то, что человек, занимающийся ботаникой в Кейптауне, может почти случайно попасть на корабль, который, как его заранее предупредили, в последующие два года будет находиться далеко от цивилизованных мест.
Полностью укомплектовав запасы продовольствия для длительного морского путешествия - среди груза был всевозможный скот обоих полов для расселения по островам Тихого океана, 22 ноября оба корабля вышли в море. Первоначальным намерением Кука было попытаться найти остров со странным названием - остров Обрезания. Кук полагал, что это остров; разумеется, он мог бы оказаться полуостровом легендарного Южного материка. Считалось, что он находится около 1700 миль к югу от мыса Доброй Надежды и был замечен капитаном Буве, а у него была репутация человека, которому можно верить; возможно, что этот остров каким-то образом связан с недавно открытым островом Кергелена, который находился приблизительно на той же широте, но значительно восточнее, - может быть, он являлся частью Южного материка.
Куку не удалось найти остров Обрезания, и вряд ли этому можно было удивляться. На самом деле он существует - теперь он известен под именем остров Буве, но это невообразимо маленькая точка в бескрайних просторах Южной Атлантики. В течение двух или трех недель при штормовой погоде Кук бороздил море в поисках этого ускользающего от него острова и в конце концов пришел к заключению, что его не существует. Ясно, что, какие бы координаты этого острова ни получил Кук, они оказались бы неверными, потому что при помощи нового и исключительно точного хронометра Кендалла, который у него был, Кук определил местоположение даже самых мелких островов в Атлантике с абсолютной точностью. Однако Кук не считал, что время пропало зря: он точно установил, что в этом районе нет ни части Южного материка.
Хотя и приближался разгар лета в этих широтах, холода были уже очень сильными, и матросы надели куртки из толстого сукна, а скот умирал от холода, и примерно в середине декабря показались первые айсберги.
Кук решил бросить еще один взгляд на окрестности в поисках этого ускользающего острова, чтобы затем отказаться от дальнейших поисков.
В Рождество было холодно, но погода стояла хорошая. Команда, как сухо отметил Кук, "была склонна к празднованию Рождества на свой собственный манер, потому что для этой цели они копили выпивку в течение некоторого времени, и я тоже увеличил им порцию их ежедневной выпивки... радость и хорошее настроение царили на всем корабле". Джон Форстер прокомментировал так: "Дикий гвалт и пьянство".
В начале января, оставив все надежды найти землю Буве, Кук повернул корабли сначала на юго-восток, а затем на юг, вниз к антарктическим областям, чтобы сделать первое глубокое зондирование в поисках неведомого континента Далримпла. Повсюду были айсберги, невиданные плавучие острова, возвышающиеся над корабельными мачтами, острова, окрашенные самыми необычными сочетаниями пастельных тонов, чаще всего голубовато-зеленых, хотя иногда встречались и лиловые, и розовые. Некоторые айсберги были совсем небольшими, не больше корабля, другие достигали двух миль в диаметре. Поскольку снег и туман не мешали видимости, айсберги не представляли опасности. В это время года здесь почти круглые сутки достаточно света, и опасности не было, если корабль не слишком близко подходил к ним. Айсберги дрейфовали дальше на север, подводная часть их подтаивала от сравнительно теплой морской воды, и часто случалось, что из-за подводной эрозии ледяная глыба внезапно теряла устойчивость и опрокидывалась на бок.
Теперь проблемой стала нехватка питьевой воды, и простое ее решение было найдено благодаря льду. Когда они встретили ледяное поле, состоящее из глыб льда разумных размеров, была спущена шлюпка, и на корабль привезли лед. Кук упоминает, что они привезли около пятнадцати тонн. Когда его растопили, оказалось, что в нем совсем не содержится соли, но были явные отличия от обычной воды настолько, что у всех, кто пил ее, распухли миндалины в горле. По мнению Форстера, - и он, по-видимому, был прав, - это было из-за того, что во льду не содержится следов свободного кислорода, который входит в состав нормальной воды.
17 января 1773 года впервые в истории корабли пересекли Южный полярный круг. На следующий же день они встретили первое поле пакового льда, то есть льда, образовавшегося в результате замерзания верхнего слоя морской воды, в отличие от айсберга, который происходит из ледников на суше. Вскоре поля пакового льда простирались до горизонта и становились такими толстыми, что дальнейшее продвижение стало невозможным. Кук снова направился на север, вполне удовлетворенный: если Южный материк Далримпла существовал, то он все сильнее сжимался в размерах.
В начале февраля "Резольюшен" и "Эдвенчур" плыли в сравнительно мягком климате и теплой воде в районе 48° южной широты в поисках острова Кергелена. Поиски, и они были весьма интенсивными, ничего не дали; сегодня можно сказать, что это и неудивительно, потому что Кук искал не в том месте. У него была правильная широта - 48° южной широты, но указания насчет долготы отсутствовали. Куку сказали, что остров Кергелена лежит к югу от Маврикия, и он знал, что долгота Маврикия была 57°30' восточной долготы. Остров Кергелена на самом деле находится на 70° восточной долготы, так что Кук производил свои поиски в сотнях километров западнее от его действительного положения.
Погодные условия теперь были крайне неблагоприятными. Постоянно дули штормовые юго-западные ветры, и оба "угольщика" из Уитби были ужасно истрепаны огромными волнами. В редкие, очень редкие перерывы между штормами корабли были окутаны густым туманом, и во время одного из таких туманов 8 февраля "Резольюшен" и "Эдвенчур" потеряли друг друга.