Vilhjálmur fór í sína fyrstu leiðangra þegar hann var námsmaður í mannfræði við Harvard háskóla. Þessir leiðangrar voru til Íslands á árunum 1904 og 1905 með það að markmiði að safna mannabeinum til mannfræðilegra rannsókna á líkamsbyggingu. Vilhjálmur Stefánsson var hins vegar best þekktur fyrir víðtæka vísindaleiðangra sína um ókannaðar norðurslóðir Kanada.

Leiðangrar Vilhjálms eru tilkomumikil afrek bæði á sviði landkönnunar og rannsókna sem taka til fjölmargra þátta í samfélögum og náttúru norðursins. Vilhjálmur var í samtals tíu vetur og sjö sumur á ferðalögum um norðlægu svæðin. Ásamt ferðafélögum sínum ferðaðist hann fótgangandi og á hundasleðum yfir um það bil 32.000 kílómetra, oft við afskaplega erfiðar aðstæður.

Fyrsta ferð Vilhjálms til Norður Kanada var á árunum 1906-1907, þegar hann dvaldi vetrarlangt meðal inúita við óshólma Mackenzie (Mackenzie Delta). Á þessu tímabili varð hann kunnugur tungumáli inúita og tileinkaði sér þekkingu varðandi menningu þeirra og lífshætti frá fyrstu hendi. Hann ritaði bókina ´Veiðimenn norðursins mikla´ (Hunters of the Great North) ásamt fjölmörgum greinum um dvöl sína meðal inúita.

Vilhjálmur tókst á hendur annan leiðangur á norðurslóðir á árunum 1908-1912 í fylgd kanadíska dýrafræðingsins Rudolf M. Anderson. Í leiðangri þessum auðnaðist Vilhjálmi að safna saman nýjum og mikilvægum upplýsingum, þar sem hann var fyrsti vísindamaðurinn til að rannsaka menningu og samfélag Koparinúíta á eyjunni Viktoríu (Victoria Island).

Árið 1913 lagði Vilhjálmur upp í leiðangurinn ´Canadian Arctic Expedition´ sem varði í fimm ár – lengsti samfelldi norðurslóðaleiðangur sem hafði verið lagt í fram að þeim tíma. Megin markmið hans að þessu sinni var landfræðileg könnun á norðvestur Kanada, nú kallað Nunavut svæðið. Meðal afreka sem unnust í leiðangrinum var uppgötvun Vilhjálms á landsvæðum í kanadíska eyjaklasanum, áður óþekktum meðal Evrópubúa; eyjurnar Borden, Brock, Meighen og Lougheed. Í þakklætisskyni fyrir þessa dáð nefndi kanadíska ríkisstjórnin eyju í höfuð Vilhjálms árið 1952. Stefansson eyja er norður af eyjunni Viktoríu. Snemma í leiðangrinum festist skipið Karluk í ís á Beaufort hafi og Vilhjálmur fór ásamt nokkrum mönnum að veiða sel til að ná í ferskt kjöt. Á meðan á ferð þessari stóð datt skyndilega á stormur mikill sem bar skipið frá ströndu en Vilhjálmi tókst ekki að komast aftur að skipinu, þrátt fyrir ítrekaðar tilraunir. Skipið Karluk var tapað ásamt ellefu manna áhöfn. Vilhjálmur var síðar ásakaður um að hafa yfirgefið skipið og kennt um þann harmleik sem fylgdi í kjölfarið.

Enginn maður er eyland og á meðan á könnunarleiðangrum hans stóð var Vilhjálmur í miklum samskiptum við fólkið á svæðinu. Ólíkt hetjum norðursins á þeim tíma þá ferðaðist Vilhjálmur ekki aðeins í kringum eða yfir norðurslóðirnar, heldur fremur inn í menningu þeirra og umhverfi. Hann var tíðum spurður hvort hann hefði ferðast til Norðurpólsins en hann svaraði því þá til að hann væri vísindamaður, ekki ferðamaður.

Bækur Vilhjálms innihalda margar ljósmyndir sem teknar voru í leiðöngrum, með þátttöku Vilhjálms eða undir hans leiðsögn. Ljósmyndir hans, bækur og dagbækur staðfesta jákvæða ímynd og framsækin viðhorf Vilhjálms til hins fjarlæga norðurs og íbúa þess. Verk hans bera vitni um útsjónarsamt og kraftmikið fólk sem á skilið virðingu okkar; hvers menning og tækni voru farsællega löguð að hinu náttúrulega umhverfi. Vilhjálmur hélt fast við þá meginreglu mannfræðinnar að aðeins með því að staðsetja sjálfan sig í aðstæðum annars fólks er mögulegt að skilja það. Þessi er líka andi sýningarinnar ´Heimskautslöndin unaðslegu´ (The Friendly Arctic Exhibition). Þegar sýningargestir fylgja í fótspor Vilhjálms ferðast þeir yfir víðáttur norðursins í Norður- Ameríku og fá þannig innsýn inn í hugar- og reynsluheim mikilfenglegs könnuðar.