1838, även om han ännu inte var en erfaren marinlinjeofficer, hade Wilkes erfarenhet av nautisk undersökningsarbete och arbetade med civila forskare. Mot denna bakgrund fick han befäl över regeringens utforskande expedition”… för att utforska och kartlägga södra havet,… samt att fastställa förekomsten av alla tvivelaktiga öar och stim, att upptäcka, och exakt fastställa positionen för dem som i eller nära spåret av våra fartyg i det kvartalet, och har undgått observation av vetenskapliga navigatörer.”Den amerikanska Exploring Squadron godkändes av kongressens handling den 18 maj 1836.

Utforskningsexpeditionen, allmänt känd som ”Wilkes Expedition”, inkluderade naturforskare, botaniker, en mineralog, taxidermister, konstnärer och en filolog, och den transporterades av USS Vincennes (780 ton) och USS Peacock (650 ton), briggen USS tumlare (230 ton), butiksfartyget USS Relief och två skonare, USS Sea Gull (110 ton) och USS Flying Fish (96 ton).

avgår från Hampton Roads den 18 augusti 1838 stannade expeditionen vid Madeira och Rio de Janeiro; besökte Tierra Del Fuego, Chile, Peru, Tuamotu skärgård, Samoa och New South Wales; från Sydney seglade in i Antarktis i December 1839 och rapporterade upptäckten ”av en antarktisk kontinent väster om Ballenyöarna” som den såg kusten den 25 januari 1840. Efter att ha kartlagt 1500 miles av Antarktis kust besökte expeditionen Fiji och Hawaiiöarna. I Fiji kidnappade expeditionen chefen Ro Veidovi och anklagade honom för mordet på ett besättning av amerikanska valfångare. Och i juli 1840 dödades två sjömän, varav en var Wilkes brorson, Midshipman Wilkes Henry, medan han bytte mat på Fijis Malolo Island. Wilkes vedergällning var snabb och svår. Enligt en gammal man på ön Malolo dödades nästan 80 fijianer i händelsen.från December 1840 till mars 1841 anställde han hundratals infödda hawaiiska bärare och många av hans män för att dra en pendel till toppen av Mauna Loa för att mäta tyngdkraften. Istället för att använda den befintliga leden, han flammade sin egen väg, tar mycket längre tid än han väntat. Förhållandena på berget påminde honom om Antarktis. Många av hans besättning drabbades av snöblindhet, höjdsjuka och fotskador från att bära ut sina skor.

han utforskade Nordamerikas västkust, inklusive Juan de Fuca-sundet, Puget Sound, Columbia River, San Francisco Bay och Sacramento River, 1841.han höll den första amerikanska självständighetsdagen väster om Mississippifloden i Dupont, Washington den 5 juli 1841.

USA: s Utforskningsexpedition passerade Elliceöarna och besökte Funafuti, Nukufetau och Vaitupu 1841. Expeditionen återvände via Filippinerna, Sulu Archipelago, Borneo, Singapore, Polynesien och Cape of Good Hope och nådde New York den 10 juni 1842.efter att ha helt omringat världen (hans var det sista all-sail naval-uppdraget att göra det) hade Wilkes loggat cirka 87 000 mil och förlorat två fartyg och 28 man. Wilkes blev krigsrätt vid sin återkomst för förlusten av ett av sina fartyg på Columbia River bar, för regelbunden misshandel av hans underordnade officerare och för överdriven bestraffning av hans sjömän. Ett stort vittne mot honom var skeppläkare Charles Guillou.Han frikändes på alla anklagelser utom olagligt straffande män i sin skvadron. Under en kort tid var han knuten till Kustundersökningen, men från 1844 till 1861 var han främst engagerad i att förbereda rapporten från expeditionen.

hans berättelse om USA Exploring Expedition (5 volymer och en atlas) publicerades 1844. Han redigerade expeditionens vetenskapliga rapporter (19 volymer och 11 atlaser, 1844-1874) och var författare till Vol. XI (meteorologi) och Vol. XXIII (hydrografi).Alfred Thomas Agate, gravör och illustratör, var expeditionens utsedda porträtt och botaniska konstnär. Hans arbete användes för att illustrera berättelsen om USA Exploring Expedition.

berättelsen innehåller mycket intressant material om seder, seder, politiska och ekonomiska förhållanden på många ställen då föga kända. Wilkes ’ 1841 karta över Oregon Territory fördaterad John Charles Fremonts första Oregon Trail pathfinder expedition guidad av Kit Carson under 1842.

andra värdefulla bidrag var de tre rapporterna från James Dwight Dana om Zoophytes (1846), Geologi (1849) och Crustacea (1852-1854). Dessutom bildade de exemplar och artefakter som togs tillbaka av expeditionsforskare slutligen grunden för Smithsonian Institution collection. Förutom många kortare artiklar och rapporter publicerade Wilkes de stora vetenskapliga verken västra Amerika, inklusive Kalifornien och Oregon 1849 och Voyage round the world: embracing the principal events of the narrative of the United States Exploring Expedition i en volym: illustrerad med hundra sjuttioåtta gravyrer på trä 1849 och Theory of the Winds 1856.