Det sex veckor långa uppdraget ställs inför konkurrerande anspråk från andra länder, däribland Ryssland.
Två isbrytare beger sig ut från Newfoundland för att samla in data från en undervattensås som börjar nära Ellesmere Island och går till polen.
Regionen anses omfatta stora olje- och gasreserver.
I december förra året lämnade Kanada in en ansökan till FN i syfte att kraftigt utvidga gränsen till Atlanten.
Ryssland och Danmark har också gjort konkurrerande anspråk på ett stort område av den arktiska havsbottnen runt Lomonosov Ridge.
Alla tre länderna söker vetenskapliga bevis för att åsen är en undervattensförlängning av kontinentalsockeln.
Området beräknas ha 13 % av världens oupptäckta olja och upp till 30 % av dess dolda naturgasreserver.
En kanadensisk regeringsförklaring sade att den första isbrytaren hade lämnat St John's, Newfoundland, på fredag och den andra skulle avgå på lördag.
"Vår regering säkrar vår suveränitet samtidigt utöka våra ekonomiska och vetenskapliga möjligheter genom att definiera Kanadas sista gräns", sade miljöminister Leona Aglukkaq.
"Detta är viktigt för kanadensare, särskilt de i norr, eftersom detta är deras framtid och välstånd står på spel."
Enligt FN:s havsrättskonvention kan en kustnation kräva exklusiva ekonomiska rättigheter till naturresurser på eller under havsbottnen upp till 200 nautiska mil utanför sitt landområde.
Men om kontinentalsockeln sträcker sig bortom det avståndet måste landet lägga fram bevis för en FN-kommission som sedan kommer att utfärda rekommendationer om att fastställa en yttre gräns.
Kanada har inlett ett uppdrag att kartlägga den arktiska havsbottnen för att stödja sitt försök att utvidga sitt territorium till Nordpolen.