決心號與探險號重新會合后于1773年8月抵達大溪地補給，此后向西進發(fā)，于9月轉抵一處曾經有西班牙和葡萄牙航海家到訪過的群島，他把這個群島命名為赫維群島（即庫克群島舊名）。在10月，庫克一行還到訪了湯加，更因島上土著友善熱情而獲庫克稱之為“友誼群島”（Friendly Islands）。

不過，決心號和探險號從湯加返回新西蘭途中遇上風暴，于10月30日再度失散。庫克本來與弗諾約定在夏洛特王后海灣會合，但先到的庫克在11月26日決定先行離去，而后到的弗諾要到四天以后的11月30日才抵達會合點。未能會合庫克的弗諾唯有指揮探險號啟程返國，但船員在動身起程前與當地毛利人發(fā)生爭執(zhí)，造成部份船員死亡，探險號最終在1774年7月14日返抵英格蘭。

庫克的決心號離探險號而去后，繼續(xù)在茫茫大海中試圖尋找南極洲大陸。在1773年12月，決心號第二度進入南極圈，隨后于1774年1月26日第三度駛入南極圈，并于1月30日成功駛至南緯71度10分離南極洲不遠的海域，成為整個18世紀中航海家所到過最南的地方。

可是，未有找到南極洲的庫克在這時卻因為天氣環(huán)境惡劣而決定折返，使尋找神秘大陸的希望落空。此后，庫克決定待在太平洋地區(qū)，以便南半球夏天來臨的時候可以再度南下探索。

這個時期的庫克游走于大洋洲多處地方，他在1774年2月到訪復活節(jié)島后，旋于3月轉到馬克薩斯群島，以及在4月重返社會群島和大溪地。

在6月，庫克成為首位發(fā)現紐埃的西方航海家，他雖然多次嘗試登岸，但均被島上懷有敵意的島民阻止，結果庫克把該島命名為“野人島”（Savage Island），并只好返回附近的湯加補給。