Le troisième voyage (1541-1542)

Donnacona qui a compris ce que cherchent les Français, de l'or, des gemmes, des épices, leur fait la description qu'ils veulent entendre, celle du riche royaume de Saguenay, et François Ier, bien qu'occupé par les menaces de Charles Quint, se laisse convaincre de lancer une troisième expédition avec pour instructions d'implanter une colonie.
L'organisation de l'expédition est confiée à Jean-François de La Rocque de Roberval, un homme de cour, ce que Cartier n'est pas. Il ne sera cette fois que le second de Roberval. La colonisation et la propagation de la foi catholique deviennent les deux objectifs. Donnacona meurt vers 1539, comme d'autres Iroquoiens du Saint-Laurent, les autres se sont mariés, aucun ne reviendra. On prépare l'expédition, arme cinq navires, embarque du bétail, libère des prisonniers pour en faire des colons. Roberval prend du retard dans l'organisation et Cartier s'impatiente puis décide de s'engager sur l'océan sans l'attendre. Après une traversée calamiteuse, il arrive enfin sur le site de Stadaconé en août 1541 après trois ans d'absence. Les retrouvailles sont chaleureuses malgré l'annonce du décès de Donnacona, puis les rapports se dégradent et Cartier décide de s'installer ailleurs.
Il fait édifier le fort de Charlesbourg-Royal au confluent du Saint-Laurent et la rivière du Cap Rouge pour préparer la colonisation. Bientôt, l'hiver arrive et Roberval est toujours invisible avec le reste de l'expédition. En attendant, il accumule l'or et les diamants qu'il négocie avec les Iroquoiens du Saint-Laurent qui disent les avoir ramassés près du camp. En 1542, il lève le camp, rencontre Roberval à Terre-Neuve. Malgré l'ordre que ce dernier lui donne de rebrousser chemin et de retourner sur le Saint-Laurent, Cartier met le cap vers la France. Aussitôt arrivé, il fait expertiser le minerai et apprend qu'il ne rapporte que de la pyrite et du quartz sans valeur. Sa mésaventure sera à l'origine de l'expression « faux comme des diamants du Canada ».