奋进号维修过后重新出发，驶经澳洲北端的托利斯海崃，亲自证实了澳洲大陆与新畿内亚并不相连。未几，库克于8月22日在澳洲北端登陆新发现的佔领岛（Possession Island），并以英皇乔治三世之名宣佈该岛与整个新南威尔斯为英国领土。此后，库克一行转往巴达维亚（今印尼雅加达），但不少船员在当地感染疟疾死亡，几经波折，奋进号最后途经好望角和圣海伦娜岛，终于1771年6月12日返抵英格兰唐斯（The Downs）。库克在一次旅程中记录了逾5,000公里的海岸线，返国他把自己的周记出版成书，一时为科学界所重