在4月29日，庫克與隨員在現(xiàn)稱為科內(nèi)爾半島（Kurnell Peninsula）的岸邊正式著陸，由于隨船植物學家約瑟夫·班克斯和丹尼爾·索蘭德在該處發(fā)現(xiàn)不少獨特的物種，因此庫克又將該處命名為“植物灣”（Botany Bay）。在那里，庫克還首次與一名叫格威蓋爾（Gweagal）的原住民進行接觸和交流。

從植物灣離開后，庫克一行人乘奮進號向北進發(fā)，但旅途不太順利。在6月11日，奮進號在大堡礁一處淺灘觸礁受損，隨后又于6月18日誤進一處河口。

連串事故使奮進號船身嚴重受損，被迫待在一處海灘（今奮進河河口的庫克鎮(zhèn)港口附近一帶）上進行修理，使整個航程延誤近七個星期。奮進號維修過后重新出發(fā)，駛經(jīng)澳洲北端的托利斯海峽，親自證實了澳洲大陸與新幾內(nèi)亞并不相連。

未幾，庫克于8月22日在澳洲北端登陸新發(fā)現(xiàn)的占領(lǐng)島（Possession Island），并以英王喬治三世之名宣布該島與整個新南威爾士為英國領(lǐng)土。

此后，庫克一行轉(zhuǎn)往巴達維亞（今印尼雅加達），但不少船員在當?shù)馗腥警懠菜劳?，幾?jīng)波折，奮進號最后途經(jīng)好望角和圣海倫娜島，終于1771年6月12日返抵英格蘭唐斯（The Downs）。

庫克在一次旅程中記錄了逾5,000公里的海岸線，返國他把自己的周記出版成書，一時為科學界所重視，不過在坊間，出身名門的隨船植物學家約瑟夫·班克斯則比庫克更有名氣。

班克斯甚至一度希望取代庫克指揮第二次的探索旅程，但最終在旅程開始前選擇退出。班克斯退出后，約翰·雷茵霍爾德·福斯特（Johann Leinhold Folster）及其子格奧爾格·福斯特遂取而代之成為第二次旅程的隨船科學家。