В 1766 году в Тихий океан была направлена экспедиция капитана Сэмуэла Уоллиса, в распоряжение которого были предоставлены два корабля «Дельфин» и «Сваллоу». Командиром «Сваллоу» был назначен капитан Филипп Картерет. В секретных инструкциях Уоллису вменялось в обязанность отыскать Южный материк и включить его во владение британской короны.
Уоллис имел опыт плаваний в Атлантическом океане, Картерет участвовал в экспедиции Байрона в качестве одного из его помощников. Оба командира вполне отвечали целям экспедиции, чего, однако, нельзя сказать о шлюпе «Сваллоу» — ветхом судне, которое никак не могло угнаться за «Дельфином» Уоллис и Картерет покинули Плимут в августе 1766 года и 17 декабря дошли до Магелланова пролива, но из-за встречных ветров задержались в нем до 11 апреля 1767 года. У западного выхода из пролива решено было плыть дальше раздельно Требование секретной инструкции при выходе из Магелланова пролива держаться как можно более к югу оказалось, как этого и следовало ожидать, невыполнимым, и Уоллис, пройдя на северо-запад около 800 миль, направился на север примерно вдоль 95° западной долготы.
Повернув затем к востоку от острова Пасхи на северо-запад, он до 130° западной долготы шел вдоль 20–19° южной широты на запад. Это был маршрут, весьма выгодный для открытий. 6–13 июня 1767 года Уоллис вступил в центральную часть архипелага Туамоту, где открыл пять островов (Пинаки, Нукутаваке, Параоа, Мануханги и Ненгоненго; он дал им соответственно названия Уитсандей, Куин Шарлотт, Эгмонт, Глостер, Кемберленд), затем дошел до островов Общества и 17 июня открыл остров, названный им Оснабург (Мехетиа).
Через Магелланов пролив Уоллис прошел в Тихий Океан и, плывя в северо-западном направлении, достиг южных островов Паумоту. Ему посчастливилось вновь открыть остров Таити, который немногим позднее посетил Бугенвиль.
18 июня он увидел берега Таити, а 23 июня вошел в бухту Матаваи на северо-западном берегу этого острова, которую назвал гаванью Порт-Ройал. Это было самое значительное открытие, совершенное в Океании после Тасмана.
Разумеется, остров Таити был объявлен владением британской короны. Таитяне радушно встретили чужеземных гостей, но эти первые контакты с европейскими «цивилизаторами» оказались весьма пагубными для островитян. Европейцы занесли на Таити болезни, в частности венерические.
Затем он нашел несколько островов к югу от группы Самоа и в группах островов Гимберта и Маршалловых.
Открыв атоллы Увеа западнее островов Гилберта и атоллы Ронгерик и Ронгелап в Маршалловом архипелаге, Уоллис через Батавию и Капстадт (так в то время назывался город Кейптаун, который в XVII веке был голландской опорной базой на южной оконечности Африки) вернулся в Англию 20 мая 1768 года.
Уоллис наряду с Байроном, Картеретом и Бугенвилем принадлежит к видным предшественникам Кука.