1776. július 14. – 1779. február 14.
20 000 fontos jutalom ellenében az utazás célja Szibéria vagy Alaszka, Kanada arktikus partjainál jégmentes átjáró – a régóta keresett "észak-nyugati átjáró" – felfedezése. Cook ismét a Resolutiontválasztja hajójául, helyettese J. Gore. Kísérőhajója a Discovery (Felfedezés) Ch. Clarke parancsnokkal.1778. január 18-án pillantják meg Oahu-nál a Hawaii-szigetek központi csoportját, melyet Cook Sandwich-szigeteknek nevez el az Admiralitás első lordjáról. 1778 augusztusának végén az alaszkai Icy (Jeges)-foknál az összefüggő jégtakaró a hajókat visszafordulásra kényszeríti. 1779. január 17-én érnek a fősziget Hawaii Kealakekula-öblébe, a mahakiki ünnepekre, melynek során Cookot Lono isten reinkarnációjaként tisztelik. Néhány hét múlva Oahu felé hajóznak, de a vihar visszaveti törött vitorlákkal a Resolutiont a már ismert Hawaii-öbölbe. Itt Cook egy ellopott dereglye miatt véres összetűzésbe keveredik a bennszülöttekkel, akik – mivel elmúlt Lono isten tiszteletének idénye, és helyette a harc istenének periódusa volt éppen, össze voltak zavarodva és emiatt – több társával együtt megölik, fejét levágják, testét feldarabolják. Midőn Clarke visszaszerzi a maradványokat, katonai dísztemetéssel búcsúznak Cooktól. Mivel Clarke a későbbiekben meghal, mindkét hajó John Gore parancsnoksága alatt 1780. október 4-én visszatér Angliába.

|