En su último viaje, Cook comandó una vez más el HMS Resolution, mientras que el capitán Charles Clerke comandaba el HMS Discovery. Ostensiblemente, el viaje fue planeado para llevar de regreso a Omai hacia Tahití; esto era lo que el público general creía, ya que se había convertido en una “curiosidad” en Londres. Después de dejar a Omai, Cook viajó hacia el norte y en 1778 se convirtió en el primer europeo en visitar las islas Hawái, a las que llamó islas Sandwich, por el cuarto Conde de Sandwich, John Montagu, en ese momento a cargo de la Royal Navy.
Cuando los exploradores volvieron a la bahía Kealakekua el 17 de enero, 10.000 hawaianos salieron a recibirlos. Los isleños estaban celebrando la fiesta de makahiki en honor de Lono, el dios de su tierra. Por lo visto, creyeron que Cook era dicho dios, por lo que tanto él como sus hombres fueron nuevamente objeto de extraordinaria bondad y hospitalidad. Tres semanas mas tarde, el 4 de febrero, levaron anclas y se hicieron a la vela. Mas al cuarto día les sobrevino un gran huracán, que destrozó uno de los mástiles del Resolution y obligó a Cook a regresar a Hawái.
Viajó hacia el este, para explorar la costa oeste de América del Norte. Exploró e hizo mapas de la costa, desde California hasta el estrecho de Bering.
El estrecho de Bering no pudo ser atravesado por Cook, aunque hizo varios intentos. Cook había comenzado a tener algún trastorno estomacal desde hacía algún tiempo, y esto es tomado como explicación a su comportamiento irracional hacia la tripulación durante el viaje.
Cook volvió a Hawái en 1779.El 14 de febrero, en Kealakekua Bay, algunos hawaianos robaron un bote pequeño perteneciente a Cook. Normalmente como los ladrones eran comunes en Tahití y otras islas, se tomaban rehenes hasta que las cosas robadas reaparecieran. Pero Cook planteó tomar como rehén al rey de Hawái, Kalaniopuu. Debido a la irracionalidad de sus actos, tuvo un altercado con una gran multitud de nativos en la playa, con lo cual, durante la escaramuza, se dispararon algunos tiros hacia los hawaianos y éstos terminaron matando a Cook para devorarlo después.
Para su sorpresa, en esta ocasión la recepción en Hawái fue hostil. Algunos opinaban que quizás los indígenas habían analizado las cosas de manera más racional y habían concluido que Cook y su tripulación los estaban explotando. A juicio de otros, el retorno se contradecía con su “divinidad”. Como quiera que fuera, los hombres de Cook, consternados, cometieron el desacierto de actuar con violencia. Cook determinó apoderarse del jefe Kalaniopu’u y retenerlo prisionero para recobrar la embarcación robada. En la lucha que se suscitó en la playa, Cook fue apuñalado y golpeado hasta causarle la muerte.