В сентябре 1903 года Вильялмур был уже студентом богословского факультета Гарвардского университета. Здесь он увлекся антропологией. В июне 1905 года в журнале "Американский антрополог" появилась статья Стефансона "Исландская колония в Гренландии", которая привлекла внимание геолога Эрнеста де Ковен Лефингуэла, занятого тогда подготовкой "Англо-американской полярной экспедиции", отправлявшейся на поиски еще не открытого, но якобы существующего острова Лефингуэл предложил Вильялмуру занять должность антрополога.
Так начался период полярных путешествий Стефансона. В общей сложности он провел в Арктике 10 полярных зим и 13 летних сезонов. Из них более пяти лет Стефансон жил в Арктике беспрерывно.
Англо-американская экспедиция должна была отправиться ранней весной 1906 года на паруснике "Дэтчесс оф Бедфорд" из порта Виктория в Британской Колумбии, обогнуть Аляску и плыть на восток вдоль северных берегов Канады.
Но Стефансон получил разрешение присоединиться к основному отряду в заливе Маккензи, куда он решил добираться сухим путем, а также по рекам и озерам Канады. Он хотел познакомиться с жизнью индейских племен Северной Канады, прибрежных эскимосов и собрать интересные для науки образцы и материалы.
Весной Стефансон прибыл по железной дороге в Эдмонтон. Отсюда началось его путешествие по рекам и озерам. Пешком и на колесных пароходах, баржах и плотах Стефансон медленно продвигался к океану. В дороге он внимал рассказам случайных попутчиков: промышленников, миссионеров, чиновников Компании Гудзонова залива, представителей местных властей.
Спустя несколько месяцев Вильялмур добрался до устья реки Маккензи и впервые увидел полярное море, покрытое плавающими льдами.
От устья Маккензи Стефансон на китобойном судне добрался до острова Хершел, где была назначена встреча с "Дэтчесс оф Бедфорд". Однако парусника там не было. Молодой антрополог оказался на Крайнем Севере без денег, без оснащения, без каких-либо припасов. Вильялмур принял смелое решение самостоятельно изучать быт эскимосов, рассчитывая на их гостеприимство.
Всю зиму он провел у эскимоса Оваюка, ходил с ним на охоту и рыбалку, помогал во всех хозяйственных работах. Стефансон научился строить снежные хижины и в совершенстве овладел эскимосским языком.
Лишь весной 1907 года Вильялмур узнал, что парусник "Дэтчесс оф Бедфорд" затонул. Но молодой исследователь не оставил надежды попасть на остров Виктория.
В 1908 году Американский музей естественной истории и Канадский институт геологических исследований заинтересовались дешевой, но многообещающей экспедицией на остров Виктория и ассигновали на нее две тысячи долларов. В экспедицию неожиданно включился Рудольф Мартин Андерсен, заслуживший признание как блестящий геолог и зоолог.
Ранней весной 1908 года Стефансон и Андерсен отправились на север, взяв с собой два фотоаппарата с запасом пленки, два полевых бинокля, три ружья, две палатки, табак для эскимосов, карандаши и бумагу для записей Они придерживались пути, пройденного Стефансоном весной 1906 года. Предполагалось, что экспедиция продлится один год, однако она растянулась на долгие пять лет.
Летом 1908 года Стефансон и Андерсен пришли на остров Хершель, где рассчитывали раздобыть необходимые для дальнейшего путешествия вещи. Но это им не удалось, и исследователи отправились на мыс Барроу, лежащий в 700 километрах от острова. По пути они пополнили свои научные коллекции. Стефансон продолжил составление эскимосского словаря, который теперь насчитывал 9 тысяч слов; кроме того, он записывал эскимосский фольклор.
Стефансон предпочитал путешествовать налегке и всегда надеялся на удачную охоту. Когда ему и его собакам приходилось голодать, он употреблял в пищу кожаную одежду, отмечая, что "свежая сырая шкура даже вкусна, если ее хорошо поджарить; она напоминает свиные ножки". Вильялмур, в отличие от большинства других полярных исследователей, никогда не убивал собак, чтобы накормить других или себя.
Осенью 1909 года экспедиция вернулась на остров Хершель и проследовала дальше на мыс Парри, откуда намеревалась идти к острову Виктория. Но наступила полярная ночь. Стефансон и Андерсен провели ее с эскимосами, занимаясь охотой и пополняя запасы мяса, шкур и ворвани.
В апреле 1910 года ученые двинулись на восток. Следуя вдоль берега пролива Долфин-энд-Юнион, путешественники обнаружили следы нарт и вскоре оказались у селения, состоящего из снежных хижин. Жителей этого поселка Стефансон назвал "медными эскимосами". Они встретили экспедицию настороженно. Но, убедившись, что перед ними живые люди, а не духи, пригласили в свои жилища и стали угощать.
15 мая экспедиция отправился дальше на север, туда, где, по словам "медных эскимосов", жили люди, у которых были голубые глаза и рыжие волосы.
О своей незабываемой встрече с жителями поселка, расположенного по ту сторону пролива Долфин-энд-Юнион, на самом берегу острова Виктория, Стефансон писал: "Они стояли перед своими снежными домиками и шалашами из звериных шкур... Увидев их, я подумал, что нахожусь на пороге крупного научного открытия... Глядя на этих людей, я понял, что либо наткнулся на последнюю главу одной из исторических трагедий далекого прошлого, либо передо мной новая загадка, которую еще предстоит разрешить: почему эти люди похожи на европейцев, если они не европейского происхождения?"
Посетив остров Виктория, экспедиция повернула обратно на запад. Поначалу отряд двигался вдоль берега моря. Вблизи Пойнт-Стивенса были произведены обширные раскопки древних поселений и захоронений. Стефансону и Андерсену удалось найти множество стрел, копий и гарпунов с медными наконечниками, а также разные изделия из китового уса, моржовой кости и оленьего рога, медные котелки и сосуды-светильники. Исследователи извлекли из раскопов большое количество глиняных черепков. Последняя находка положила конец многочисленным спорам ученых о наличии у эскимосов зачатков гончарного дела.
За пять лет путешественники преодолели несколько тысяч километров, большей частью по еще неизученным территориям. Благодаря дружескому отношению к эскимосам, знанию их языка и обычаев, Стефансону удалось собрать бесценный этнографический материал.
Осенью 1912 года пассажирский пароход доставил Стефансона из аляскинского порта Ном в порт Сиэтл. События своей второй полярной экспедиции Вильялмур описал в книге "Моя жизнь с эскимосами" (1913).
Вскоре Стефансон организует "Канадскую арктическую экспедицию" с целью изучения тогда еще мало известного моря Бофорта.
Весной 1913 года участники Канадской арктической экспедиции вышли в море на трех кораблях. В ее составе были геологи и антропологи, биологи и зоологи, океанографы и метеорологи. Экспедиция разделилась на несколько отрядов. Она продолжалась пять лет.
Стефансон возглавлял географический отряд, базирующийся на судне "Кар-лук", капитаном которого был Роберт Бартлет. 27 июля 1913 года "Карлук" вышел из Нома, но уже в конце августа у северных берегов Аляски лег в дрейф, который закончился для корабля ледовым пленом - "Карлук" вмерз в лед в Бухте Харисон.
Когда запасы свежего мяса подошли к концу, Стефансон вместе с антропологом Дженесом, метеорологом Макконеллом, фотографом Уилкинсом и двумя охотниками отправился на охоту на близлежащий остров. С собой они взяли небольшой запас продовольствия, двое старых саней и шесть собак.
На второй день пути по ледяным торосам Стефансон и его спутники достигли острова, расположенного на пути к материку. На следующий день наблюдатель заметил, как зажатого льдами "Карлука" разворачивает и медленно сносит против ветра в восточном направлении. Спустя еще день корабль исчез из вида. Позднее выяснилось, что "Карлук" затонул. Из 25 человек, находившихся в тот момент на его борту, спаслось лишь 17.
Стефансону и его спутникам пришлось возвращаться на основную базу экспедиции пешком. Обратный путь оказался долгим и трудным.
Полгода длилась эта необычная "полярная робинзонада". Все эти полгода от смельчаков не было никаких вестей, и в экспедиции уже считали Стефансона и его спутников погибшими. В печати появились сообщения, что "один безумец и обманутые им люди пошли по морскому льду на север с целью самоубийства". А один из полярников писал: "Были все основания считать его погибшим. Он не вернулся на берег Аляски и, конечно, не мог добывать себе пищу на льду; намерение Стефансона дойти до Земли Банкса против ветра и дрейфа также представлялось нам неосуществимым; если же он и добрался туда, то наверняка умер с голоду..."
Но энергия, воля и знания Стефансона помогли маленькой группе с честью выйти из всех испытаний: ученый привел своих спутников к намеченному месту, выполнив всю программу исследований.
