Durante la guerra dei sette anni, era al servizio in Nord America sulla "HMS Pembroke", un vascello da 60 cannoni della Royal Navy, sempre in qualità di "master". Nel 1758 prese parte all'assalto anfibio che consentì la presa a danno dei francesi della fortezza di Louisbourg. Cook partecipò quindi nel 1759 all'assedio della città di Québec, dimostrando subito il suo grande talento nella topografia e nella cartografia, tracciando le mappe di imbocco del fiume San Lorenzo; opera che facilitò al generale Wolfe il compito di effettuare successivamente il famoso attacco a sorpresa sulle pianure di Abraham del 12-13 settembre 1759. L'attacco, terminato con la netta vittoria delle truppe britanniche e con la morte di entrambi i comandanti in capo, sarebbe poi risultato decisivo nel conflitto che opponeva la Francia e la Gran Bretagna per il destino della Nuova Francia, determinando in seguito la creazione del Canada.