Obwohl Wilkes noch kein erfahrener Marineoffizier war, hatte er 1838 Erfahrung mit nautischen Vermessungsarbeiten und arbeitete mit zivilen Wissenschaftlern zusammen. Vor diesem Hintergrund erhielt er das Kommando über die „Exploring Expedition „… zum Zwecke der Erforschung und Vermessung des Südlichen Ozeans,… sowie die Existenz aller zweifelhaften Inseln und Untiefen zu bestimmen, um die Position derjenigen zu entdecken und genau zu bestimmen, die sich in oder in der Nähe der Fährte unserer Schiffe in diesem Viertel befinden und der Beobachtung wissenschaftlicher Seefahrer entgangen sind.“ Das US Exploring Squadron wurde durch ein Gesetz des Kongresses am 18.Mai 1836 autorisiert.Die Erkundungsexpedition, die allgemein als „Wilkes-Expedition“ bekannt ist, umfasste Naturforscher, Botaniker, einen Mineralogen, Präparatoren, Künstler und einen Philologen und wurde von USS Vincennes (780 Tonnen) und USS Peacock (650 Tonnen), die Brigg USS Porpoise (230 Tonnen), das Vorratsschiff USS Relief und zwei Schoner, USS Sea Gull (110 Tonnen) und USS Flying Fish (96 Tonnen).

Am 18.August 1838 machte die Expedition von Hampton Roads aus Halt auf den Madeira-Inseln und Rio de Janeiro; besuchte Feuerland, Chile, Peru, das Tuamotu-Archipel, Samoa und New South Wales; von Sydney aus segelte es im Dezember 1839 in den Antarktischen Ozean und berichtete von der Entdeckung „eines antarktischen Kontinents westlich der Balleny-Inseln“, von dem es am 25. Januar 1840 die Küste sichtete. Nach der Kartierung von 1500 Meilen antarktischer Küste besuchte die Expedition Fidschi und die Hawaii-Inseln. In Fidschi entführte die Expedition den Häuptling Ro Veidovi und beschuldigte ihn des Mordes an einer Besatzung amerikanischer Walfänger. Und im Juli 1840 wurden zwei Matrosen, von denen einer Wilkes ‚Neffe, Midshipman Wilkes Henry, war, getötet, als sie auf Fidschis Insel Malolo gegen Essen tauschten. Wilkes ‚Vergeltung war schnell und streng. Laut einem alten Mann von Malolo Island wurden fast 80 Fidschianer bei dem Vorfall getötet.Von Dezember 1840 bis März 1841 beschäftigte er Hunderte von einheimischen hawaiianischen Trägern und viele seiner Männer, um ein Pendel zum Gipfel des Mauna Loa zu schleppen, um die Schwerkraft zu messen. Anstatt den vorhandenen Weg zu benutzen, bahnte er sich seinen eigenen Weg und brauchte viel länger als erwartet. Die Bedingungen am Berg erinnerten ihn an die Antarktis. Viele seiner Crew erlitten Schneeblindheit, Höhenkrankheit und Fußverletzungen durch das Tragen ihrer Schuhe.

Er erkundete 1841 die Westküste Nordamerikas, einschließlich der Straße von Juan de Fuca, des Puget Sound, des Columbia River, der San Francisco Bay und des Sacramento River.Er hielt die erste amerikanische Unabhängigkeitstag Feier westlich des Mississippi in Dupont, Washington am 5. Juli 1841.Die United States Exploring Expedition durchquerte die Ellice Islands und besuchte 1841 Funafuti, Nukufetau und Vaitupu. Die Expedition kehrte über die Philippinen, das Sulu-Archipel, Borneo, Singapur, Polynesien und das Kap der Guten Hoffnung zurück und erreichte New York am 10.Juni 1842.Nachdem Wilkes den Globus vollständig umkreist hatte (seine letzte All-Sail-Marinemission), hatte er rund 87.000 Meilen zurückgelegt und zwei Schiffe und 28 Männer verloren. Wilkes wurde nach seiner Rückkehr wegen des Verlusts eines seiner Schiffe auf der Columbia River Bar vor ein Kriegsgericht gestellt, für die regelmäßige Misshandlung seiner Untergebenen Offiziere, und für übermäßige Bestrafung seiner Seeleute. Ein wichtiger Zeuge gegen ihn war Schiffsarzt Charles Guillou.Er wurde in allen Anklagepunkten freigesprochen, mit Ausnahme der illegalen Bestrafung von Männern in seinem Geschwader. Für kurze Zeit war er an der Küstenvermessung beteiligt, aber von 1844 bis 1861 war er hauptsächlich mit der Erstellung des Expeditionsberichts beschäftigt.

Seine Erzählung der United States Exploring Expedition (5 Bände und ein Atlas) wurde 1844 veröffentlicht. Er gab die wissenschaftlichen Berichte der Expedition heraus (19 Bände und 11 Atlanten, 1844-1874) und war Autor von Vol. XI (Meteorologie) und Vol. XXIII (Hydrographie).Alfred Thomas Agate, Graveur und Illustrator, war der designierte Porträt- und Botanikkünstler der Expedition. Seine Arbeit wurde verwendet, um die Erzählung der United States Exploring Expedition zu illustrieren.Die Erzählung enthält viel interessantes Material über die Sitten, Bräuche, politischen und wirtschaftlichen Bedingungen an vielen Orten, die damals wenig bekannt waren. Wilkes ‚1841-Karte des Oregon-Territoriums datierte John Charles Fremonts erste Oregon Trail Pathfinder-Expedition, die 1842 von Kit Carson geleitet wurde.Weitere wertvolle Beiträge waren die drei Berichte von James Dwight Dana über Zoophyten (1846), Geologie (1849) und Krebstiere (1852-1854). Außerdem, Die von Expeditionswissenschaftlern mitgebrachten Exemplare und Artefakte bildeten letztendlich die Grundlage für die Sammlung der Smithsonian Institution. Neben vielen kürzeren Artikeln und Berichten veröffentlichte Wilkes die wichtigsten wissenschaftlichen Werke Western America, einschließlich Kalifornien und Oregon im Jahr 1849 und Voyage round the world: embracing the principal events of the narrative of the United States Exploring Expedition in einem Band: illustriert mit einhundertachtundsiebzig Gravuren auf Holz im Jahr 1849 und Theorie der Winde im Jahr 1856.