w 1838 roku, choć nie był jeszcze doświadczonym oficerem liniowym marynarki wojennej, Wilkes miał doświadczenie w badaniach morskich i pracował z naukowcami cywilnymi. Na tym tle powierzono mu dowodzenie rządową ekspedycją badawczą”… do celów eksploracji i pomiarów Oceanu Południowego,… jak również ustalić istnienie wszystkich wątpliwych wysp i ławic, aby odkryć i dokładnie ustalić położenie tych, które w lub w pobliżu toru naszych statków w tej dzielnicy, i uniknęły obserwacji naukowych nawigatorów.”Amerykańska Eskadra rozpoznawcza została zatwierdzona aktem Kongresu 18 maja 1836 roku.
ekspedycja badawcza, powszechnie znana jako „Ekspedycja Wilkesa”, składała się z przyrodników, botaników, mineralogów, wypychaczy, artystów i filologów, i była przewożona przez USS Vincennes (780 ton) i USS Peacock (650 ton), bryg USS Porpoise (230 ton), okręt magazynowy USS Relief oraz dwa szkunery USS Sea Gull (110 ton) i USS Flying Fish (96 ton).
wyruszając z Hampton Roads 18 sierpnia 1838 roku, ekspedycja zatrzymała się na Maderze i Rio de Janeiro; odwiedziła Tierra del Fuego, Chile, Peru, Archipelag Tuamotu, Samoa i Nową Południową Walię; z Sydney wypłynął do Oceanu antarktycznego w grudniu 1839 roku i poinformował o odkryciu „Antarktycznego kontynentu na zachód od Wysp Balleny 'ego”, którego Wybrzeże zobaczył 25 stycznia 1840 roku. Po wytyczeniu 1500 mil Antarktycznego wybrzeża ekspedycja odwiedziła Fidżi i Wyspy Hawajskie. Na Fidżi ekspedycja porwała wodza Ro Veidoviego, oskarżając go o zamordowanie załogi amerykańskich wielorybników. W lipcu 1840 roku dwóch marynarzy, z których jeden był bratankiem Wilkesa, Midshipman Wilkes Henry, zostało zabitych podczas wymiany żywności na wyspie Malolo na Fidżi. Zemsta Wilkesa była szybka i surowa. Według starca z wyspy Malolo w incydencie zginęło blisko 80 Fidżi.
od grudnia 1840 do marca 1841 zatrudnił setki rdzennych hawajskich tragarzy i wielu jego ludzi, aby zaciągnąć wahadło na szczyt Mauna Loa, aby zmierzyć grawitację. Zamiast korzystać z istniejącego szlaku, popłynął własną drogą, zajmując znacznie więcej czasu, niż się spodziewał. Warunki panujące na górze przypominały mu Antarktydę. Wielu z jego załogi cierpiało na ślepotę śnieżną, chorobę wysokościową i obrażenia stóp od noszenia butów.
w 1841 roku badał zachodnie wybrzeże Ameryki Północnej, w tym Cieśninę Juan de Fuca, Puget Sound, rzekę Kolumbia, Zatokę San Francisco i Rzekę Sacramento.
5 lipca 1841 roku w Dupont w stanie Waszyngton odbył się pierwszy amerykański Dzień Niepodległości na zachód od rzeki Missisipi.
ekspedycja badawcza Stanów Zjednoczonych przeszła przez Wyspy Ellice i odwiedziła Funafuti, Nukufetau i Vaitupu w 1841 roku. Wyprawa powróciła drogą przez Filipiny, Archipelag Sulu, Borneo, Singapur, Polinezję i Przylądek Dobrej Nadziei, docierając do Nowego Jorku 10 czerwca 1842 roku.
Po całkowitym okrążeniu globu (była to jego ostatnia, pełnomorska misja morska), Wilkes przepłynął około 87 000 mil i stracił dwa statki i 28 ludzi. Wilkes został postawiony przed sądem wojennym po powrocie za utratę jednego ze swoich statków na rzece Columbia bar, za regularne maltretowanie podległych mu oficerów i za nadmierne kary dla marynarzy. Głównym świadkiem przeciwko niemu był doktor Charles Guillou.Został uniewinniony pod wszystkimi zarzutami, z wyjątkiem bezprawnego ukarania żołnierzy w swoim szwadronie. Przez krótki czas był związany z Coast Survey, ale w latach 1844-1861 zajmował się głównie przygotowaniem raportu z wyprawy.
jego opowiadanie o wyprawie odkrywczej Stanów Zjednoczonych (5 tomów i atlas) zostało opublikowane w 1844 roku. Redagował sprawozdania naukowe z wyprawy (19 tomów i 11 atlasów, 1844-1874)i był autorem tomu. XI (meteorologia) i T. XXIII (Hydrografia).Alfred Thomas Agate, grawer i ilustrator, był wyznaczonym portrecistą i botanikiem wyprawy. Jego prace posłużyły do zilustrowania narracji o wyprawie odkrywczej Stanów Zjednoczonych.
narracja zawiera wiele ciekawych materiałów dotyczących obyczajów, obyczajów, uwarunkowań politycznych i ekonomicznych w wielu miejscach wówczas mało znanych. Mapa terytorium Oregonu sporządzona przez Wilkesa z 1841 r.była datowana na pierwszą wyprawę Johna Charlesa Fremonta z Oregonu, prowadzoną przez kita Carsona w 1842 r.
innym cennym wkładem były trzy sprawozdania Jamesa Dwighta Dana na temat Zoofitów (1846), Geologii (1849) i skorupiaków (1852-1854). Co więcej, okazy i artefakty przywiezione przez naukowców ekspedycyjnych ostatecznie stworzyły podstawę kolekcji Smithsonian Institution. Oprócz wielu krótszych artykułów i raportów, Wilkes opublikował główne prace naukowe Western America, w tym California and Oregon w 1849 i Voyage round the world: embracing the principal events of the narrative of the United States Exploring Expedition w jednym tomie: illustrated with one hundred and siedemdziesiąt osiem rycin na drewnie w 1849 i Theory of the Winds w 1856.
