Nel 1838, sebbene non fosse ancora un ufficiale di linea navale esperto, Wilkes era esperto nel lavoro di ricognizione nautica e stava lavorando con scienziati civili. Su questo sfondo, gli fu dato il comando della spedizione esplorativa governativa”… allo scopo di esplorare e sorvegliare l’Oceano Australe,… anche per determinare l’esistenza di tutte le isole dubbie e banchi, come per scoprire, e fissare con precisione, la posizione di quelli che in o vicino alla pista delle nostre navi in quel quartiere, e sono sfuggiti l’osservazione dei navigatori scientifici.”Lo Squadrone esploratore degli Stati Uniti fu autorizzato con atto del Congresso il 18 maggio 1836.

La spedizione esplorativa, comunemente nota come “Wilkes Expedition”, comprendeva naturalisti, botanici, un mineralogista, tassidermisti, artisti e un filologo, e fu trasportata dalla USS Vincennes (780 tonnellate) e dalla USS Peacock (650 tonnellate), dalla USS Porpoise (230 tonnellate), dalla USS Relief e da due golette, la USS Sea Gull (110 tonnellate) e la USS Flying Fish (96 tonnellate).

Partendo da Hampton Roads il 18 agosto 1838, la spedizione si fermò alle isole Madeira e Rio de Janeiro; visitò la Terra del Fuoco, il Cile, il Perù, l’arcipelago delle Tuamotu, le Samoa e il Nuovo Galles del Sud; da Sydney navigò nell’Oceano Antartico nel dicembre 1839 e riportò la scoperta “di un continente antartico ad ovest delle isole Balleny” di cui avvistò la costa il 25 gennaio 1840. Dopo aver tracciato 1500 miglia di costa antartica, la spedizione visitò le Figi e le isole Hawaii. Nelle Figi, la spedizione rapì il capo Ro Veidovi, accusandolo dell’omicidio di un equipaggio di balenieri americani. E, nel luglio 1840, due marinai, uno dei quali era nipote di Wilkes, Guardiamarina Wilkes Henry, sono stati uccisi mentre baratto per il cibo sulle isole Fiji Malolo. La punizione di Wilkes fu rapida e severa. Secondo un vecchio di Malolo Island, quasi 80 figiani sono stati uccisi nell’incidente.

Dal dicembre 1840 al marzo 1841, impiegò centinaia di portatori nativi hawaiani e molti dei suoi uomini per trasportare un pendolo fino alla vetta di Mauna Loa per misurare la gravità. Invece di usare il sentiero esistente, si fece strada da solo, impiegando molto più tempo di quanto avesse previsto. Le condizioni sulla montagna gli ricordavano l’Antartide. Molti del suo equipaggio hanno sofferto di cecità da neve, mal di montagna e lesioni ai piedi da indossare le scarpe.

Egli esplorò la costa occidentale del Nord America, tra cui lo Stretto di Juan de Fuca, Puget Sound, il Fiume Columbia, la Baia di San Francisco e il Fiume Sacramento, nel 1841.

Tenne la prima celebrazione del Giorno dell’Indipendenza americana ad ovest del fiume Mississippi a Dupont, Washington, il 5 luglio 1841.

La spedizione esplorativa degli Stati Uniti passò attraverso le isole Ellice e visitò Funafuti, Nukufetau e Vaitupu nel 1841. La spedizione tornò attraverso le Filippine, l’Arcipelago di Sulu, il Borneo, Singapore, la Polinesia e il Capo di Buona Speranza, raggiungendo New York il 10 giugno 1842.

Dopo aver completamente circondato il globo (la sua era l’ultima missione navale a vela a farlo), Wilkes aveva percorso circa 87.000 miglia e perso due navi e 28 uomini. Wilkes è stato corte marziale al suo ritorno per la perdita di una delle sue navi sul fiume Columbia bar, per il regolare maltrattamento dei suoi ufficiali subordinati, e per eccessiva punizione dei suoi marinai. Un testimone importante contro di lui era il medico di bordo Charles Guillou.E ‘ stato assolto da tutte le accuse tranne punire illegalmente gli uomini nel suo squadrone. Per un breve periodo, fu attaccato al Coast Survey, ma dal 1844 al 1861, fu principalmente impegnato nella preparazione del rapporto della spedizione.

Il suo racconto della Spedizione esplorativa degli Stati Uniti (5 volumi e un atlante) fu pubblicato nel 1844. Curò i rapporti scientifici della spedizione (19 volumi e 11 atlanti, 1844-1874) e fu autore del Vol. XI (Meteorologia) e Vol. XXIII (Idrografia).Alfred Thomas Agate, incisore e illustratore, è stato il ritratto designato e artista botanico della spedizione. Il suo lavoro è stato utilizzato per illustrare la narrazione della spedizione esplorativa degli Stati Uniti.

La Narrazione contiene molto materiale interessante riguardante le maniere, i costumi, le condizioni politiche ed economiche in molti luoghi allora poco conosciuti. La mappa del territorio dell’Oregon di Wilkes del 1841 precedette la prima spedizione pathfinder dell’Oregon Trail di John Charles Fremont guidata da Kit Carson durante il 1842.

Altri preziosi contributi furono i tre rapporti di James Dwight Dana su Zoophytes (1846), Geologia (1849) e Crustacea (1852-1854). Inoltre, gli esemplari e gli artefatti riportati dagli scienziati della spedizione alla fine formarono le basi per la collezione Smithsonian Institution. Oltre a molti articoli e rapporti più brevi, Wilkes pubblicò le principali opere scientifiche dell’America occidentale, tra cui California e Oregon nel 1849 e Voyage round the world: embracing the principal events of the narrative of the United States Exploring Expedition in un unico volume: illustrated with centosettantotto engravings on wood nel 1849 e Theory of the Winds nel 1856.