В 1756 году, в начале Семилетней войны, он в чине драгунского капитана отправился в Канаду, где стал адъютантом командующего французскими войсками генерала Монкальма де Сен-Верана. Во время сражения при Квебеке генерал Монкальм был смертельно ранен, и молодой адъютант взял командование на себя. Закончил войну уже в Европе, на Рейне, в чине полковника.

В 1763 году возник проект расширения французских владений в Тихом океане. Дипломат и военный, Бугенвиль подходил для этой миссии как нельзя лучше. Его назначили капитаном фрегата и отправили на Фолклендские острова для организации там французской колонии.

В 1766 году первый министр Людовика XV Шуазель назначил Бугенвиля руководителем морской экспедиции, которой поручалось обследовать океан от западного побережья Южной Америки до Ост-Индии, а заодно отыскать Землю Духа Святого, которая, с подачи испанского мореплавателя XVI века Педро Фернандеса Кироса, считалась частью Южного материка.

В Бугенвиле тотчас проснулся ученый, и он предложил расширить программу экспедиции изучением морских течений, ветров, магнитных явлений и составлением точных карт Магелланова пролива.

В ноябре 1766 года фрегат "Будёз" под командованием Бугенвиля вышел в море и начал первое французское кругосветное плавание. В Рио-де-Жанейро к экспедиции присоедилось транспортного судно "Этуаль". Завершив исследования в Магеллановом проливе, Бугенвиль вышел в Тихий океан, открыл несколько новых островов в архипелаге Туамоту, пробыл некоторое время на Таити, изучая климат, природу острова, уклад жизни его обитателей, и отправился дальше на запад. Побывал на островах Самоа, открыл четыре новых острова и обнаружил неизвестную гористую землю - ту самую Землю Духа Святого (Новые Гебриды), которая и была главной целью его экспедиции. Бугенвиль детально ее обследовал, убедился, что она представляет собой остров, а не часть материка, как утверждал Кирос. Открыл новый архипелаг и назвал его Большими Кикладами. Затем "Будёз" обогнул юго-восточную часть Новой Гвинеи. Здесь Бугенвиль обнаружил архипелаг, состоящий из множества небольших островков, которые назвал Луизиада. А еще несколько дней спустя нашел Соломоновы острова, открытые за двести лет до того испанцем Альваро Менданья и с тех пор никем больше не обнаруженные. Обследовал их, открыл три новых острова и, посчитав свою миссию выполненной, взял курс на родину.

Возвратившись в 1769 году во Францию он написал книгу "Кругосветное путешествие на фрегате "Будёз" и транспорте "Этуаль" в 1766-1769 годах", в которой, рассуждая о природе открытий, сказал: "Я путешественник и моряк, то есть лгун и глупец в глазах той клики ленивых и надменных писак, которые в тиши своих кабинетов бесконечно философствуют о мире и его обитателях и упорно пытаются подчинить природу своим вымыслам. Между тем география - наука фактов".

Во время войны за независимость в Северной Америке Бугенвиль воевал на стороне американцев. Разгромил английскую эскадру возле острова Мартиника. Был назначен главнокомандующим французскими и сухопутными экспедиционными силами.

По возвращении в Париж произведен в вице-адмиралы (1791) и избран в "бессмертные", то есть в академики Парижской академии наук (1795). Прожил долгую жизнь и умер на 83 году в Париже.

Именем Бугенвиля назван вулканический остров в Тихом океане, крупнейший в группе Соломоновых островов.

"Географы и путешественники", Краткий биографический словарь, "Рипол классик", Москва, 2001.