vuonna 1838, vaikka Wilkes ei ollut vielä kokenut laivaston linjaupseeri, hänellä oli kokemusta merenkulkututkimustyöstä ja hän teki yhteistyötä siviilitutkijoiden kanssa. Tämän jälkeen hän sai komentoonsa hallituksen tutkimusmatkan”… eteläisen valtameren tutkimista ja kartoittamista varten… sekä selvittää kaikkien kyseenalaisten saarten ja matalikkojen olemassaolo, jotta löytää ja tarkasti määrittää niiden sijainti, jotka ovat alustemme radalla tai sen lähellä tuossa korttelissa ja jotka ovat välttyneet tieteellisten merenkulkijoiden havainnoilta.”Yhdysvaltain Tutkimuslentolaivue valtuutti sen Kongressin lailla 18. toukokuuta 1836.

Wilkesin retkikuntaan kuului luonnontieteilijöitä, kasvitieteilijöitä, mineralogi, eläintentäyttäjiä, taiteilijoita ja filologi, ja sitä kuljettivat USS Vincennes (780 tonnia) ja USS Peacock (650 tonnia), priki USS Pyöriäinen (230 tonnia), kauppalaiva USS Relief sekä kaksi kuunaria, USS Sea Gull (110 tonnia) ja USS Flying Fish (96 tonnia).

lähtiessään Hampton Roadsilta 18. elokuuta 1838 retkikunta pysähtyi Madeiran saarille ja Rio de Janeiroon; vieraili Tierra del Fuegossa Chilessä, Perussa, Tuamotun saaristossa, Samoalla ja Uudessa Etelä-Walesissa; Sydneystä purjehti Antarktiksen valtamerelle joulukuussa 1839 ja raportoi löytäneensä ”Antarktisen mantereen balleny-saarten länsipuolelta”, josta se havaitsi rannikon 25.tammikuuta 1840. Kartoitettuaan 1500 mailia Etelämantereen rannikkoa retkikunta vieraili Fidžillä ja Havaijin saarilla. Fidžillä retkikunta kidnappasi päällikkö Ro Veidovin syyttäen tätä amerikkalaisten valaanpyytäjien miehistön murhasta. Heinäkuussa 1840 kaksi merimiestä, joista toinen oli Wilkesin veljenpoika, merikadetti Wilkes Henry, sai surmansa ollessaan vaihtamassa ruokaa Fidžin Malolon saarella. Wilkesin rangaistus oli nopea ja ankara. Malolon saarella asuvan vanhuksen mukaan välikohtauksessa kuoli lähes 80 Fidžiläistä.

joulukuusta 1840 maaliskuuhun 1841 hän palkkasi satoja syntyperäisiä havaijilaisia portsareita ja monia miehiään vetämään heilurin Mauna Loan huipulle painovoiman mittaamiseksi. Sen sijaan, että hän olisi käyttänyt olemassa olevaa polkua, hän leiskautti omaa tietään ja kesti paljon kauemmin kuin hän odotti. Olosuhteet vuorella toivat hänelle mieleen Etelämantereen. Monet hänen miehistöstään kärsivät kenkien kulumisesta lumisokeutta, korkeustautia ja jalkavammoja.

hän tutki Pohjois-Amerikan länsirannikkoa, muun muassa Juan de Fucan Salmea, Puget soundia, Columbia-jokea, San Franciscon lahtea ja Sacramentojokea vuonna 1841.

hän järjesti Yhdysvaltain ensimmäisen itsenäisyyspäivän juhlan Mississippijoen länsipuolella DuPontissa, Washingtonissa 5.heinäkuuta 1841.

Yhdysvaltain tutkimusmatka kulki Ellicen saarten läpi ja vieraili Funafutissa, Nukufetaussa ja Vaitupussa vuonna 1841. Retkikunta palasi Filippiinien, Sulun saariston, Borneon, Singaporen, Polynesian ja Hyväntoivonniemen kautta saavuttaen New Yorkin 10.kesäkuuta 1842.

saarrettuaan maapallon kokonaan (hänen viimeinen kokopurjehdus) Wilkes oli kirjautunut noin 87 000 meripeninkulmaa ja menettänyt kaksi alusta ja 28 miestä. Wilkes joutui sotaoikeuteen palattuaan yhden aluksensa menetyksestä Columbia River Barissa, alaisensa säännöllisestä huonosta kohtelusta ja merimiestensä liiallisesta rankaisemisesta. Merkittävä todistaja häntä vastaan oli laivalääkäri Charles Guillou.Hänet vapautettiin kaikista syytteistä paitsi laivueensa miesten laittomasta rankaisemisesta. Lyhyen aikaa hän oli kiinnitettynä Rannikkokatselmukseen, mutta vuosina 1844-1861 hän osallistui pääasiassa retkikunnan raportin laatimiseen.

hänen kertomuksensa Yhdysvaltain tutkimusmatkailusta (5 osaa ja kartasto) julkaistiin vuonna 1844. Hän toimitti retkikunnan tieteelliset raportit (19 osaa ja 11 kartastoa, 1844-1874) ja oli Vol. XI (meteorologia) ja Vol. XXIII (Hydrografia).Kaivertaja ja kuvittaja Alfred Thomas Agate oli retkikunnan muotokuva-ja kasvitieteilijä. Hänen töitään käytettiin kuvittamaan Yhdysvaltojen tutkimusmatkan kertomusta.

kertomus sisältää paljon kiinnostavaa aineistoa tavoista, tavoista, poliittisista ja taloudellisista oloista monissa paikoissa, jotka silloin olivat vähän tunnettuja. Wilkesin Oregonin territorion kartta vuodelta 1841 ennakoi John Charles Fremontin ensimmäistä Oregon Trail pathfinder-retkikuntaa, jota johti Kit Carson vuonna 1842.

muita arvokkaita puheenvuoroja olivat James Dwight Danan kolme raporttia Zoofyyteistä (1846), geologiasta (1849) ja Crustaceasta (1852-1854). Lisäksi retkikunnan tutkijoiden mukanaan tuomat näytteet ja esineet muodostivat lopulta perustan Smithsonian Institution-kokoelmalle. Monien lyhyempien artikkelien ja raporttien lisäksi Wilkes julkaisi suuret tieteelliset teokset Western America, mukaan lukien Kalifornia ja Oregon vuonna 1849 ja Voyage round the world: embracing the principal events of the narrative of the United States Exploring Expedition in one volume: illustrated with one hundred and seventy-eight engravings on wood in 1849, and Theory of the Winds vuonna 1856.