Картерет от Магелланова пролива направился на север, прошел мимо островов Хуан-Фернандес и на 25° южной широты повернул на запад. Он ушел южнее всех мореплавателей XVI и XVII веков и оставил к северу от себя остров Пасхи и архипелаг Туамоту.
2 июля 1767 года на 25° южной широты и 130° западной долготы он открыл одинокий островок, названный по имени матроса, который первым его заметил, островом Питкэрн. Через тридцать с лишним лет на этот остров высадилась мятежная команда английского брига «Баунти», которой уже не суждено было возвратиться на родину.
На самой южной окраине Туамоту Картерет открыл группу островов Дьюк-оф-Глостер. От 165° западной долготы Картерет, корабль которого находился в очень скверном состоянии, вынужден был отклониться к северу.
Во время поисков Соломоновых островов Картерет 12 августа 1767 года открыл остров Ваникоро в группе Санта-Крус, а спустя восемь дней вступил в воды Соломоновых островов, «утерянных» испанцами после первого плавания Менданьи, однако не смог определить их принадлежность к давно разыскиваемому архипелагу. Это удалось лишь Бугенвилю.
Здесь он вторично открыл остров Ндаи, на котором в 1595 году погиб Менданья, и остров Малаиту, нанес на карту небольшие острова Манаобу, Килинаилау и Бука (на картах Картерета острова Гоуер, Симпсон, Найн-Айлендс, Уинченсли).
Далее Картерет направился к Новой Гвинее, севернее ее прошел через пролив Сент-Джордж (который Дампир счел заливом) и установил, что Новая Британия состоит из двух островов Северному острову он дал название Новой Исландии. Он открыл пролив Байрона, отделяющий Новую Ирландию от острова Лавонгай (Картерет назвал остров Лавонгай Новым Ганновером). Вторично открыв острова Ниниго, на которых уже в XVI веке побывали либо Сааведра, либо Ортис де Ретес, Картерет направился сперва к острову Минданао, а затем к Сулавеси. Там он пробыл полгода, с декабря 1767 по май 1768 года, и еще три месяца находился в Батавии, где ремонтировался корабль. Только 20 мая 1769 года, ровно год спустя после возвращения «Дельфина», Картерет прибыл в Англию. Умер он в Саутгемптоне 21 июня 1796 года в чине контр-адмирала.
Как один из предшественников Кука, он внес существенный вклад в открытие островов Тихого океана.
Записки одного из участников экспедиции Уоллиса были изданы в 1848 году.
Уоллис и Картерет, сами того не подозревая, были участниками решающего сражения англо-французской «холодной войны», которое разыгралось на Тихом океане в 1767–1769 годы.