出身草根的库克在航海史上立下了非凡的成就，在前后12年三次探索太平洋的经历中，他走遍太平洋不少未为欧洲人所知的领域，虽然他未能找到传说中“未知的南方大陆”和西北航道，不过在他的带领下，欧洲人仍然首次踏足不少好像是澳洲东岸和“桑威奇群岛”（即夏威夷群岛）等西方人未曾登陆过的地域，由他命名的地方更是遍布太平洋各地。他以更精确的航海技术制作航海图，为当时航海史上一大突破。种种成就促使他在2002年由英国广播公司举办的英国百大伟人选举中名列第12位。
要制作精确的航海图，航海家有必要充分掌握纬度和经度。透过运用背测式测天仪（Backstaff）或象限仪（Quadrant），航海家可以在水平线上测量太阳或星宿的角度，然后再准确得出纬度。不过，如要准确得出经度，航海家就须要清楚了解地球表面不同地点之间的时间差别，这使得经度的计算变得相当困难。简而言之，地球相对太阳每日均会作360度自转，因此经度与时间相关，换言之，每一小时等如15度，而每四分钟就等如一度。
在第一次的航海旅程中，凭借自己的航海技术、得到随船天文学家查尔斯·格林（Charles Green）协助、以及运用新出版的《航海历书》（The Nautical Almanac），库克能够准确地测量经度。尤其是透过运用《航海历书》，他能够从计算月角距的方法入手，方法是，在日间，他先计算月亮与太阳的角距离，以便从《航海历书》中判断皇家格林尼治天文台的实际时间；如果在晚间，则可以计算月亮与任何一颗八大星宿的角距离，以同样判断出皇家格林尼治天文台的实际时间。得出这个时间后，再量度太阳、月亮、或其他星宿的海拔高度以得出所在地的时间，把两个时间相比较，便可得出所在地的经度。
在第二次的航海旅程中，库克带备了由拉科姆·肯德尔制作的K1型经线仪，这部经线仪直径长五英吋（13厘米），状似一个大型的怀表，是仿照约翰·哈里森的H4型钟制作。这款钟曾经用于商船特福德号（Deptford's）于1761年至1762年前往牙买加的旅程，证实该钟在长途的海路旅程中，仍然能够准确显示皇家格林尼治天文台的标准时间。因此，透过运用肯德尔的K1型经线仪，库克比起以往能够更快和更准确地测出经纬度，以制作更多更精细和准确的航海图。
另一方面，库克在第一次的探索旅程中，全程没有一人因为坏血病而丧命，这在当时是一项少有的成就。库克在旅途中尝试不同的方法防止船员患上坏血病，当中他发现预防坏血病的关键，是要经常向船员提供充足的新鲜食物，尤其是青柠等含丰富维他命C的蔬果。库克把这方面的研究成果写成详细报告，并提交皇家学会，促使他在1776年获学会颁授科普利奖章以作表扬。库克也是第一位在太平洋地区与不同人士具广泛接触和交流的欧洲人。尽管了解到太平洋各个岛屿相距千里，但他仍正确地认为各地岛民均具一定关联（详见马来-波利尼西亚语族条目）。库克又相信太平洋地区的波利尼西亚人应该起源于亚洲地区，这个看法后来得到英国人类基因教授布赖恩·赛克斯（Bryan Sykes）等学者的支持；至于在新西兰，库克到访的事迹则常被后人视为当地被殖民地化的序幕。
库克的成就不单止为当时的英国所重视，而且也为西方多国所肯定。在1779年的时候，英国虽然正与北美十三州殖民地爆发独立战争，但时在法国的美国驻法公使本杰明·富兰克林依旧特别郑重向美方所有战舰发出指示，要求他们如果遇上库克的舰只，务必友善对待，不应视对方为敌，且不应作不必要的拘留。可是，富兰克林在发出指示前约一个月，库克本人早已于夏威夷岛遇害身亡。 除了库克以外，不少有份参与历次大平洋航海旅程的科学家和其他随员，均在旅程途中作出不少重要贡献。当中，有份参与第一次航海旅程的植物学家约瑟夫·班克斯和来自瑞典的丹尼尔·索兰德两人，在途中采集了超过3,000件植物标本。建基于其亲身经历，班克斯后来更成为英国在澳洲殖民的主要支持者之一。此外，在库克第一次探索旅程中担任随船画师的西德尼·帕金森（Sydney Parkinson）虽然在旅程结束前丧命，但他在旅途中遗下了264幅植物插画，对当时的英国植物学界而言深具科学价值。在库克的第二次和第三次航海旅程中分别担任画师的威廉·霍奇斯（William Hodges）和约翰·韦伯（John Webber），也在大溪地、复活节岛、夏威夷和努特卡海峡等地绘画不少风景画和人物肖像，这些画作均得以留传后世。
不少随库克出海的皇家海军初级军官在日后也各有所成，曾经随库克出任航海长的威廉·布莱（William Bligh）后来担任HMS邦蒂号（HMS Bounty）舰长，并且是1789年邦蒂号叛变事件中被船员推翻的主角。布莱后于1806年出任新南威尔士总督，但在1808年再于兰姆酒叛乱中被起事军人推翻。曾在库克船队中任职候补海军少尉的乔治·温哥华则在1791年至1794年间奉命带领船队探索北美太平洋海岸地区，对勘察北美西北岸一带具重要贡献。至于曾经参与库克第三次航海旅程的乔治·迪克森（George Dixon），日后也组织了自己的探索队到太平洋地区。
在18世纪中期，西方文明对其他文明的影响是西方思想家的辩论焦点之一，不少学者认为西方文明优化了其他文明，但也有学者认为西方文明的入侵腐化了其他文明。库克的三次航海探索正值这个辩论的高潮，因此他的航海发现或多或少让西方思想家对地球另一边鲜为西方所知的文化有稍进一步的了解。不过，库克对这个命题并不特别关心，从他的周记所见，也不见得出他对“高贵的野蛮人”（Noble Savage）这种在当时盛行的看法有特别的兴趣。在19世纪，波兰裔英国小说家约瑟夫·康拉德曾经对历代航海家和探险家的动机作出比较，他认为库克以前的航海家和探险家主要以“掠夺”（acquisitive）为动机，而库克则主要以“科学”（scientific）为动机，因此两者本质上具有显著的分别。但有其他学者认为，库克三次航海旅程的费用要由英国政府动用公帑承担，这意味出海的计划和目的受到纳税人监察，在这种背景下，库克在旅程途中也不时把新发现的地方宣告为英国领土，因此，如果说他的航海旅程完全不具“掠夺”性质，也不是准确的说法。
踏入20世纪以后，不少西方学者开始认为历次航海发现，导致了性病、酒精饮料和枪械等随西方文明传入未为西方人开发的地方，对这些地方的祸害大于益处。同样，库克的新发现对太平洋地区的贡献，以至于他的遇害真相，向来也是学术界的争辩焦点之一。关注到库克的遇害原因，普遍学者认为，夏威夷岛民的文明与西方文明不同，岛民对库克由盲目崇拜变成怨恨，是库克遇害的原因，这种看法得到由美国人类学家马歇尔·萨林斯等学者支持；然而，也有学者质疑这种看法，认为把夏威夷岛民视为较不理智的一群是不恰当的立论。支持这种看法的学者包括美国人类学家加纳纳什·奥贝赛克拉（Gananath Obeyesekere）等人，他们认为夏威夷岛民与库克一行人拥有同等的理智，库克遇害是因为他的脾气在旅途后期变得古怪，而且在岛上掠夺物资，最终才会招来杀机。 美国和夏威夷州均有不少事物纪念库克。当中，库克在夏威夷岛遇害的地方附近有一块白色方尖碑，方尖碑在1874年竖立，以纪念库克遇害一事；在附近的一个小镇，则被命名为库克船长镇（Captain Cook）。在1928年，美国政府发行了一款为数10,008枚的50美分硬币，纪念库克发现夏威夷150周年，硬币表面刻有库克的形象，由于发行量少，因此这款纪念硬币相当罕有和值钱。至于美国国家航空航天局在太阳神15号登月任务中，对指令服务舱使用的呼号“奋进”、以及后来的航天飞机发现号和奋进号，都是以库克的HMS发现号和HMS奋进号命名，而月球上的一处撞击坑也被命名为库克撞击坑。
在澳洲、新西兰和大洋洲地区，不少地方均以库克命名，当中包括库克群岛和库克海峡，而远至北美洲的阿拉斯加也有库克湾，受库克的影响，在澳洲文化中，英文俚语“Captain Cook”（库克船长）一词更常有“Look”（看）的意思。此外，昆士兰北部设有詹姆士库克大学，该校创于1970年，是昆士兰北部第一所大学。除了上述地方，地球上也有两处地方命名为库克峰，其中一座库克峰位于新西兰，是当地最高山峰；另一座库克峰则位于美国阿拉斯加与加拿大育空地区交界，是根据英美《阿拉斯加边界条约》中划定的其中一座边境山峰。
在英国，早期以库克为对象的其中一块纪念碑位于白金汉郡瓦什府（The Vache）内，库克生前是瓦什府的常客，而纪念碑则由曾任纽芬兰总督的屋主海军上将晓治·帕利泽爵士（Admiral Sir Hugh Palliser）竖立。帕利泽与库克都是同时代的皇家海军军官，也是库克的赞助人之一。在1827年，北约克郡伊斯比沼泽（Easby Moor）又竖立了一座体积庞大的方尖碑，方尖碑的位置正好可以远望库克儿时的居住地大艾顿。在1978年，为纪念库克诞辰250周年，库克的出生地马顿还建成了库克船长诞生地博物馆。博物馆位于斯图尔特公园（Stewart Park）内，园内一处置有一座用花岗石打造的花瓶雕塑，用来标示库克大约的出生地点。除了诞生地博物馆，马顿市内另有不少以库克命名的事物，这些事物计有小学、购物中心和医院等等，一座由瑞典雕塑家克莱斯·欧登柏格制作，籍以纪念库克的水瓶状雕塑，也在1993年竖立于马顿市内。
在伦敦，位于沙德维尔大路附近一处大型商住屋苑内，置有一块细小的蓝色纪念匾，该匾标示出库克当年在伦敦东区的大约居住地点。值得一提的是，英政府在2006年以库克的全名为新建成的皇家研究船RRS詹姆士库克号（RRS James Cook）命名，并取代退役的RRS查尔斯达尔文号（RRS Charles Darwin），为英国政府负起出海作科学研究的用途。
