Seine Geburt ist im Pfarrregister von St. Cuthbert in Yorkshire, verzeichnet mit dem Eintrag „27. Oktober 1728. James, Sohn des Tagelöhners James Cook und seiner Frau Grace“. Der Knabe, eines von fünf Kindern, durfte auf Kosten des Dienstherrn seines Vaters die Dorfschule besuchen und hatte entsprechende Kenntnisse im Lesen, Rechnen, Schreiben und der Arithmetik. Als er siebzehn Jahre alt war, wurde er auf Wunsch seines Vaters Gehilfe in einer Gemischtwarenhandlung.

Cooks seemännische Laufbahn begann im Alter von 18 Jahren auf Kohletransportschiffen zwischen Newcastle upon Tyne und London, die in Whitby beheimatet waren. Seine Fähigkeiten brachten ihn zwar gut voran, er wechselte aber Mitte 1754 unter finanziellen Einbußen zur Royal Navy, wo er zunächst als Matrose auf der HMS Eagle anheuern musste. Nur der Dienst für die Krone ermöglichte die Aussicht auf einen erheblichen sozialen Aufstieg.

Cook bekam ein erstes kleines Kommando am 5. April 1756 und bestand 1757 die Prüfung zum Master (eigenverantwortlichen Schiffsführer, entsprach dem Steuermann). Sein überragendes Talent als Kartograf offenbarte sich ab 1758 bei der Erkundung und Vermessung vor allem des St. Lorenz-Stromes, neufundländischer Gewässer und anderer Teile der Ostküste Kanadas während des Siebenjährigen Krieges (1756–1763). Seine präzisen Karten verhalfen den britischen Truppen unter General James Wolfe im September 1759 zum entscheidenden Sieg über die Franzosen bei Québec. Von 1764 bis zum Ende des Jahres 1767 hatte er für seine Vermessungsarbeit durch die Vermittlung von Sir Hugh Palliser, damals Gouverneur von Neufundland, das Kommando über den kleinen Schoner Grenville erhalten, den er auch mehrmals und schnell über den Atlantik segelte, was seine Qualitäten als Seemann bewies. Während der Winterzeit war er nämlich im Auftrag der Admiralität in England mit dem Erarbeiten von Seekarten und Segelhandbüchern anhand seiner Messdaten vom Sommer befasst. Sein Ruf als Schiffsführer und Kartograf brachte dem ehrgeizigen jungen Leutnant die Berufung zur berühmten Pazifikreise ein, die ihm von mancher Seite geneidet wurde, beispielsweise von Alexander Dalrymple, dem späteren ersten Hydrografen der Admiralität.

Diese Expedition wurde auf Empfehlung der Royal Society unternommen, um im Rahmen eines international angelegten Großprojekts den Durchgang des Planeten Venus vor der Sonnenscheibe (Venustransit vom 3. Juni 1769) auf Tahiti zu beobachten. Diese astronomischen Vermessungen hatten die Bestimmung der Entfernung Erde-Sonne zum Ziel. Cooks Aufgabe war vor allem, eine Anzahl von Wissenschaftlern (darunter den Astronomen Charles Green) samt ihren Instrumenten sicher nach Tahiti und zurück zu bringen. Er brauchte dafür ein geräumiges Schiff mit geringem Tiefgang. Die Admiralität erwarb den Kohletransporter Earl of Pembroke, der umgebaut wurde und den Namen Endeavour erhielt.

Darüber hinaus hatte James Cook den geheimen Auftrag, den Ozean um den 40. südlichen Breitengrad zu erforschen und einen von Kartografen postulierten „Südkontinent“, die Terra Australis incognita, zu finden. Zudem war die von Spanien geheim gehaltene Existenz der Torresstraße zwar der Admiralität bekannt, jedoch noch von keinem ihrer Schiffe bestätigt worden.

Auf eigene Kosten (in ähnlicher Höhe, wie die Krone in die Expedition investierte) nahm auch der 25-jährige Joseph Banks an dieser Expedition teil, vor allem, um botanische Sammlungen anzulegen. Er hatte dafür einen Stab von zehn Personen organisiert, darunter den schwedischen Botaniker Daniel Solander, wie Banks Mitglied der Royal Society, und 39 Jahre alt. Nach dreiwöchigem Zwischenaufenthalt in Rio de Janeiro, wo das Schiff gründlich überholt wurde, fuhr Cook Anfang Dezember wieder aus und war Anfang Januar 1769 in der Bay of Good Success, Le-Maire-Straße, Feuerland.

Ende Januar hatte er mit Glück Kap Hoorn umrundet und stand am 60. Breitengrad, dem südlichsten Punkt dieser Reise. Mitte April war Tahiti erreicht, die HMS Endeavour lag in der Matavai-Bucht, und man begann Fort Venus aufzubauen. Anfang Mai war auch das Observ