Accompagné d'un naturaliste, d'un dessinateur et d'un astronome, il part de Nantes, plus précisément de Mindin, le15 novembre 1766, fait escale dans la rade de Brest d'où il repart le 5 décembre pour un voyage autour du monde à bord de la frégate la Boudeuse. Un second bateau, l’Étoile, une flûte (navire de charge), parti de Rochefort le1er février 1767, le rejoint pour le tour du monde le 13 juin 1767 à Rio de Janeiro après deux rendez-vous manqués auxMalouines et dans l'embouchure du Río de la Plata.
Au Brésil, le botaniste Philibert Commerson embarqué sur l’Étoile découvre la fleur qu'il nommera plus tard labougainvillée et cette fleur sera donnée à Joséphine de Beauharnais, première épouse de Napoléon.
Après avoir remis les îles Malouines aux Espagnols, sur ordre de Louis XV, il franchit le détroit de Magellan, explore l'immense et dangereux archipel des Tuamotu et mouille à Tahiti qui vient d'être découverte en juin 1767 par Samuel Wallis. Il y reste moins de dix jours, en avril 1768, puis repart avec un jeune Tahitien volontaire, Aoutourou, qui fait le trajet jusqu'à Paris, puis qui meurt au cours du voyage de retour, après une escale à l'Île-de-France (aujourd'hui île Maurice).
Il explora quelques semaines plus tard l'île qui porte son nom. Il découvre ensuite la plupart des îles Samoa, qu'il appelle îles des Navigateurs, revoit les îles Saint-Esprit de Pedro Fernández de Quirós (appelées Vanuatu depuis leur accession à l'indépendance en 1980). Il longe les Louisiades, retrouve les îles Salomon et peut enfin se ravitailler aux Moluques.
Il rentre à Saint-Malo le 16 mars 1769 et publie en 1771 sa Description d'un voyage autour du monde, où il évoque le mythe, au parfum alors sulfureux, du « paradis polynésien ». Bougainville voit les apports scientifiques de son voyage éclipsés par le caractère ambigu du succès de son ouvrage. Il a néanmoins fait faire à la géographie de l'Océanie de grands progrès, trouvant des îles nouvelles, précisant la situation de