Er diente ab 1509 in der spanischen Flotte. Als Kapitän eines Handelsschiffes verstieß Elcano gegen Spanisches Recht , als er sein Schiff als Rückzahlung seiner Schulden an genuesische Bankiers gab. Um von seinem König begnadigt zu werden, verpflichtete er sich als Offizier bei Ferdinand Magellans Expedition zur Umsegelung des Globus.

Auf der am 20.09 1519 mit fünf Schiffen begonnenen Reise um die Welt war Cano zunächst Steuermann der Concepción. Von Magellan wurde er nach einer gescheiterten Meuterei von der Exekution verschont. Nach dem Tode Magellans am 27.04 1521 auf der Insel St. Lazarus (heute Matan, zu den Philippinen gehörend) übernahm Cano das Kommando über die beiden letzten verbliebenen Schiffe. Er segelte von den Philippinen nach den Molukken, nahm eine Gewürzladung an Bord und kehrte von dort aus mit dem letzten Schiff, der Victoria (Schiff), zusammen mit den 17 anderen Überlebenden der 256 Mann starken Expedition, um das Kap der guten Hoffnung am 6./7.09 1522 nachdem Ausgangshafen Sanlúcar de Barremeda in Spanien zurück. Dort wurde er von Kaiser Karl V. gebührend empfangen.

Hierzu verfasste der italienische Begleiter der Reise, Antonio Pigafetta, eine Reisebschreibung.

Infolge der Fahrt entstand zwischen Portugal und Spanien ein Streit um den Besitz der Molukken, der 1529 geschlichtet wurde. Portugal zahlte für den Verzicht Spaniens auf die Inseln einen Preis von 350 Tausend Dukaten.

1525 ging Cano erneut auf Fahrt unter dem Kommando von Garcia Jofre de Loaysa . Auf dieser Reise starb Cano in dem Pazifischen Ozean auf dem Wege zu den Molukken an Unterernährung.

Nach Cano ist das Segelschulschiff Juan Sebastián de Elcano der spanischen Marine benannt.