Cartier memulakan pelayarannya yang kedua pada 19 Mei dalam tahun yang berikut dengan tiga buah kapal, 110 orang anak kapal, dan dua orang budak lelaki orang asli. Sewaktu sampai di St. Lawrence, beliau memudiki sungai itu buat pertama kali, dan tiba di desa Huron, Stadacona (tapak Québec City pada hari ini), di mana Ketua Donnacona bersatu semula dengan kedua-dua anaknya.

Cartier meninggalkan kapal-kapal utamanya di pelabuhan dekat Stadacona, dan menggunakan kapal yang terkecil untuk memudiki sungai. Beliau melawat Hochelaga (kini Montreal) sewaktu tiba di sana pada 2 Oktober 1535. Hochelaga adalah jauh lebih menarik berbanding desa Stadacona yang kecil dan kotor. Melebihi seribu orang Huron datang ke pinggir sungai untuk menyambut mereka. Tapak ketibaan itu telah dikenalpasti sebagai permulaan Sainte-Marie Sault, iaitu, lokasi "Jambatan Jacques Cartier" pada hari ini. Selepas dua hari dengan orang-orang Huron, Cartier kembali ke Stadacona pada 11 Oktober. Tidak diketahui dengan tepat bila Cartier memutuskan untuk menghabiskan tempoh musim sejuk 1535-1536 di Kanada, tetapi keputusan itu harus dibuat sebelum ketibaannya di Stadacona, kerana telah terlalu lambat untuk beliau berpulang ke Perancis.

Sewaktu musim sejuk ini, Cartier menyusun sebuah gazetir yang merangkumi banyak halaman mengenai tabiat orang asli, khususnya kebiasaan mereka untuk memakai sarung balut kaki dan mokasin, walaupun terlalu sejuk.

Dari pertengahan November 1535 sehingga pertengahan April 1536, angkatan Perancis terbeku di muara Sungai St. Charles, di bawah Batu Quebec. Tebalnya air batu di dalam sungai 1.8 meter dan salji di pantai 1.2 meter. Memburukkan lagi ketidakselesaan, orang-orang Huron menghidapi skurvi, dan kemudiannya orang-orang Perancis. Di dalam jurnalnya, Cartiers menyatakan bahawa sesampai pertengahan Februari, "daripada 110 orang kami, tiada sepuluh orang yang cukup sihat untuk membantu yang lain, sesuatu perkara yang menimbulkan rasa belas sewaktu dilihat". Cartier menganggarkan bahawa 50 orang Huron telah maut dalam peristiwa ini.

Salah seorang orang asli yang hidup ialah Domagaya, anak ketua yang telah diambil ke Perancis pada tahun yang lalu. Sewaktu Domagaya melawat kubu Peranci sebagai tanda persahabatan, Cartier menanyakannya dan mendapat tahu tentang sejenis campuran yang dibuat daripada pokok "annedda", iaitu pokok sedar putih yang boleh merawati skurvi. Kemungkinannya, ubat inilah yang menyelamatkan ekspedisi Cartier daripada pemusnahan, dan pada akhir musim sejuk, 85 orang Perancis masih hidup.

Bersedia untuk berpulang ke Perancis pada awal Mei 1536, Cartier memutuskan untuk menculik Ketua Donnacona, supaya ketua itu dapat sendiri menceritakan tentang negara di utara yang digelarkan "Kemaharajaan Saguenay", yang dikatakan penuh dengan emas, batu delima, dan harta karun. Selepas satu perjalanan yang payah ke hilir St. Lawrence, dan pelintasan Atlantik selama tiga minggu, Cartier tiba di Saint-Malo pada 15 Julai 1536. Dengan ketibaan ini, pelayaran Cartier yang kedua dan yang paling berfaedah bertamat selepas empat belas bulan.

Setelah menentukan jalan masuk ke St. Lawrence dalam pelayarannya yang pertama, Cartier kini membukakan jalan air yang teragung untuk penembusan Amerika Utara oleh Eropah. Beliau membuat anggaran yang bijak mengenai sumber-sumber Kanada, termasuknya yang sumber semulajadi dan bilangan penduduk, selain daripada membesar-besarkan kekayaan galiannya. Sedangkan sebahagian tindakan-tindakannya terhadap orang Wendat adalah mengaibkan, Cartier kekadang pernah mencuba mengasaskan persahabatan dengan mereka dan orang-orang asli yang lain di tebing Sungai St. Lawrence — satu perbuatan persediaan yang amat diperlukan untuk penempatan penduduk Perancis di tanah mereka.