Vilhjálmur foretog sine første ekspeditioner, da han var studerende i antropologi ved Harvard Universitet. Det var rejser til Island i 1904 og 1905, og de havde til formål at samle menneskeknogler til forskning i fysisk antropologi. Vilhjálmur Stefansson var dog mest kendt for sine omfattende videnskabelige ekspeditioner til uopdagede egne i Nordcanada.

Stefanssons ekspeditioner opnåede imponerende resultater inden for forskning og opdagelsesrejse og belyste mange aspekter af arktiske natur- og samfundsforhold. Vilhjálmur tilbragte i alt ti vintre og syv somre som rejsende i de arktiske egne. Sammen med sine ledsagere rejste han til fods og med hundeslæde og tilbagelagde en afstand på omtrent 32.000 kilometer, ofte under ekstreme forhold.      

Vilhjálmur foretog sin første rejse til Nordcanada i 1906-1907, hvor han tilbragte vinteren blandt Inuitterne ved Mackensie Deltaet. I denne periode fik han kendskab til Inuitsproget og mulighed for at tilegne sig førstehånds viden om deres kultur og levevis. Han skrev bogen Hunters of the Great North og adskillige artikler om sit ophold blandt Inuitterne.

Vilhjálmur tog på en anden ekspedition til det arktiske område i perioden 1908-1912, ledsaget af den canadiske zoolog Rudolf M. Anderson. På denne ekspedition lykkedes det Vihjálmur at indsamle vigtig ny viden, da han var den første forsker, der undersøgte Kobber-Inuitternes kultur og samfund på Viktoria-øen.

I 1913 påbegyndte Vilhjálmur den Canadiske Arktiske Ekspedition, som varede fem år og var den længstvarende uafbrudte ekspedition, som havde været foretaget indtil da. Vilhjálmurs hovedmål var denne gang at lave geografiske undersøgelser af Nordvestcanada, som nu er Nunavut-regionen. Et af ekspeditionens resultater var Vilhjálmurs opdagelse af et for europæerne ukendt område i det canadiske øhav med øerne Borden, Brock, Meighen og Lougheed. I 1952 opkaldte den canadiske regering en af disse øer efter Vilhjálmur som tak for hans præstation. Stefansson-øen ligger nord for Viktoria-øen. I ekspeditionens første fase kom skibet Karluk til at sidde fast i isen i Beauforthavet, og Vilhjálmur gik sammen med nogle mænd på jagt for at kunne få friskt kød. Mens de var ude, drev en pludselig storm Karlukken væk fra kysten, og på trods af store anstrengelser lykkedes det ikke Vilhjálmur at komme tilbage til skibet. Karlukken forliste sammen med elleve besætningsmedlemmer. Senere blev Vilhjálmur bebrejdet at han havde efterladt skibet, og de tragiske begivenheder, som fulgte derefter.         

Men intet menneske er en ø, og under sine nordiske ekspeditioner havde Vilhjálmur en del kontakt med den lokale befolkning. I modsætning til samtidige helte rejste Vilhjálmur ikke omkring eller på tværs af det arktiske område; han rejste ind i dets kulturelle verdner. Han blev ofte spurgt, om han havde været på Nordpolen, hvortil han svarede, at han var forsker og ikke turist.     

Vilhjálmurs bøger indeholder et stort antal billeder, der er taget på ekspeditioner, som han enten deltog i eller ledte. Hans billeder, bøger og dagbøger bekræfter hans positive syn på det fjerne Norden og dets indbyggere. De vidner om et opfindsomt og handlekraftigt folk, som fortjener vores respekt, hvis kultur og teknologi på vellykket vis har været tilpasset de naturlige omgivelser. Vilhjálmur bekendte sig til det antropologiske princip om, at man kan forstå andre mennesker ved at sætte sig ind i deres situation. Dette er også ånden i udstillingen “Det venlige Arktis”. Når besøgende bevæger sig ind i udstillingen – i Stefanssons fodspor – begiver de sig på en rejse ud over de kæmpe regioner i det Nordamerikanske Arktis, og de får indsigt i denne store opdagelsesrejsendes tanker og erfaringer.