Во время этой кампании Куку представился первый случай отличиться. Получив задание произвести промеры реки Святого Лаврентия между островом Орлеан и северным берегом реки, он выполнил поручение с большим искусством и смог составить, не-смотря на трудности и опасности предприятия, карту фарватера. Эти гидрографические съемки были признаны вполне точными и исчерпывающими, и Кук получил приказ исследовать течение реки ниже Квебека. Он выполнил работу так тщательно и с таким знанием дела, что его карта реки Святого Лаврентия была напечатана английским Адмиралтейством.
После взятия Квебека Кук перешел на корабль «Нортумберленд», находившийся под командованием лорда Колвила, и воспользовался стоянкой у берегов Ньюфаундленда, чтобы заняться изучением астрономии. Вскоре ему поручили важные работы. Он составил план залива Пласеншия (на юго-востоке острова Ньюфаундленд) и произвел съемку берегов островов Сен-Пьер и Микелон. В 1764 году Кука назначили морским инженером Ньюфаундленда и Лабрадора, и в течение трех следующих лет он занимался гидрографическими работами, обратившими на него внимание министерства и послужившими к устранению бесчисленных ошибок на картах Америки. В это же время Кук направил Лондонскому Королевскому Обществу доклад о затмении солнца, которое он наблюдал на Ньюфаундленде в 1766 году. Доклад был напечатан в Философских трудах Общества. Куку недолго пришлось ждать награды за такое множество столь искусно проведенных работ и кропотливых исследований, тем более достойных удивления, что английский моряк не имел почти никакого первоначального образования и приобрел все свои знания без помощи каких-либо учителей.
В то время ученых всего мира волновала чрезвычайно важная научная проблема, связанная с прохождением Венеры перед диском солнца, которое должно было произойти 3 июня 1769 года. Английское правительство, придя к убеждению, что наблюдение над прохождением может дать плодотворные результаты лишь в том случае, если будет произведено в Южном океане, решило направить туда научную экспедицию. Руководить экспедицией предложили знаменитому гидрографу Александру Далримплу, прославившемуся как своими трудами в области астрономии, так и географическими исследованиями в южных морях. Однако выставленные им непомерные требования, в частности о присвоении ему звания капитана 1-го ранга, заставили лорда-секретаря Адмиралтейства подыскать для проектируемой экспедиции другого начальника. Его выбор пал на Джемса Кука, кандидатура которого была горячо поддержана Паллисером и который получил вместе с чином лейтенанта назначение командиром барка — парусного трехмачтового судна «Эндевор» («Попытка»).