Во флот Джеймс Кларк Росс попал в двенадцатилетнем возрасте, оказавшись на корабле своего дяди — капитана Джона Росса. В 18 лет он с дядей на судне Изабелла отправился в первое путешествие в Арктику в район Баффиновой Земли, в 1820-х гг участвовал в трёх северных экспедициях под руководством У. Э. Парри в исследовании Северо-Западного прохода. В 1829—1833 вновь исследовал Арктические районы под руководством своего дяди Джона Росса. В 1831 году ими был открыт Северный магнитный полюс.

В начале октября 1840 г. он отправился в южные моря на двух кораблях, специально приспособленных для плавания во льдах (позднее переданных Д. Франклину), — Эребус под началом самого Росса и Террор, которым командовал Френсис Роудон Крозье. В Тасмании Д.К. Росс узнал, что Дюмон-Дюрвиль и Уилкс безрезультатно плавали близ того антарктического района, где немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс теоретически определил положение южного магнитного полюса, и к западу от этого района, и что Дюрвиль и Уилкс предполагают ошибку в определении Гаусса. Тогда Д.К. Росс решил производить исследования и поиски далее к востоку. В конце 1840 г. он пошел на юг по меридиану о. Южный Новой Зеландии (170 в.д.), усмотрел покрытую льдом и снегом гору Сабин (3850 м) в высоком хребте длиной свыше 100 км, названном им Адмиралти, в честь Британского адмиралтейства. За мысом Адэр Росс высадился на островок, чтобы обосновать английскую заявку на владение открытой им Земли Виктории; отсюда и название маленького прибрежного архипелага — Позешен (Владение). Затем он беспрепятственно повел суда дальше на юг, в море Росса, вдоль побережья Земли Виктории, мимо обнаруженных им островков Коулмен и Франклина. На 77뀰' ю.ш. 27 января на острове, нареченном им Высоким (ныне о. Росса), он открыл два вулкана-близнеца — Эребус (3794 м, действующий) и Террор (3262 м) — и бухту, названную им Мак-Мердо. В этом районе Росс встретил непреодолимое препятствие к дальнейшему продвижению на юг — гигантский ледник, обрывающийся к морю отвесной стеной высотой 45—50 м; в Арктике ничего подобного ему встречать не приходилось. Суда повернули на восток и медленно двигались вдоль этого Ледяного барьера Росса, несколько уклоняющегося к югу. 2 февраля, проследив барьер почти на 470 км, Росс немного перешел за 78-ю параллель (впервые), установив рекорд свободного плавания в южных широтах. Корабли едва не попали в ловушку между барьером и паковым льдом. Опасаясь быть пойманным, Росс не рискнул идти далее вдоль края барьера и 15 февраля возвратился на запад к о. Франклина. Оттуда он направился к северу, произвел магнитные наблюдения на широте, исчисленной Гауссом (72뀰'), и правильно рассчитал, что магнитный полюс находится на Земле Виктории, примерно в 300 км от берега. За мысом Адэр Росс шел несколько дней на запад вдоль побережья I Земли Виктории и лишь в конце февраля двинулся на север. Он открыл не менее 1 тыс. км береговой линии Антарктиды и 63 дня находился к югу от полярного круга. В начале апреля экспедиция вернулась в Тасманию.

Весной (в ноябре) 1841 г. Росс снова вышел в Антарктиду, надеясь найти в Ледяном барьере Росса проход на юг далеко к востоку от Земли Виктории. В начале января 1842 г., двигаясь во льдах, он пересек полярный круг у 156뀰' з.д., но налетевший 19 января сильный шторм нанес значительные повреждения обоим кораблям; особенно пострадал Террор. Ремонт занял четыре дня, однако из-за ледовой обстановки только 2 февраля Росс смог продолжить плавание по своему морю и проник на юг, за 78-ю параллель, на 10 км дальше, чем в прошлый раз. 23 февраля суда направились вдоль Ледяного барьера Росса к востоку и — с учетом работ прошлого года — проследили его почти на всем протяжении (длина барьера около 1 тыс. км).

Надвигалась осень, и Росс повернул на северо-восток, к Фолклендским о-вам. На этот раз он нигде не усмотрел суши и пришел к убеждению, что Земля Виктории — большой остров. В середине декабря от Фолклендов Росс пытался пройти на юг через море Уэдделла. Но ледовые условия лета 1842/43 г. оказались настолько неблагоприятными, что он смог продвинуться лишь до 71뀰' ю.ш. (начало марта).

Третье его плавание к югу было полной неудачей. Правда, у северной оконечности Антарктического п-ова он открыл гористый остров Джеймс Росс. В начале сентября 1843 г. Росс вернулся в Англию. Почти за четыре с половиной года работы его экспедиции погиб только один моряк, смытый за борт волной во время шторма. За этот долгий срок никто из экипажа обоих судов не болел благодаря заботе командира о здоровье подчиненных. Значительными были географические результаты экспедиции: Земля Виктории, Ледяной барьер и море Росса, два вулкана и несколько островов. Из плавания, кроме достижений, Росс вывез и одно неверное представление — он сомневался в существовании антарктического материка: обнаруженные его предшественниками участки побережья и открытую им Землю Виктории он считал лишь крупными островами.