המצב השתנה כשהמקומיים החלו להתנכל לבני הזוג על רקע היותם פרוטסטנטים בעוד שהאוכלוסייה המקומית הייתה קתולית. בני הזוג נאלצו, לפיכך, לעבור מצדו המערבי המוגן מרוח והמאוכלס של האי לצדו המזרחי, והתיישבו באחד העמקים הקטנים, הכמעט נטושים, בצד המזרחי של האי. שם הם יצרו את ביתם המסודר המכוסה בסכך בעמק אויה (Ouia).
בצדו המזרחי של האי חיו שני אנשים בלבד, פולינזי זקן בשם טאי טטוא (Tei Tetua) ונכדתו המאומצת בת ה-12, שהתיידדו עם בני הזוג. לאחר שמצא חפצי אבן (פסלים ותבליטים) בשני האיים בהם ביקר, הדומים לפסלים באמריקה הדרומית, והאגדות שסיפר טאי טטוא להיירדאל על האב הקדמון של הפולינזים הקרוי "טיקי", וכיצד הגיע טיקי לפולינזיה ממזרח, החל היירדאל לפקפק בתאוריה הרווחת על הדרך בה הגיעו תושביה הקדומים של פולינזיה. היה מוסכם על כל החוקרים כי בעוד שהצמחייה ובעלי החיים המקומיים הגיעו עם הזרמים הימיים מאמריקה הדרומית הקרובה יחסית, התושבים הגיעו מדרום-מזרח אסיה. היירדאל תהה מדוע, על פי התאוריה המקובלת, הגיעו התושבים מדרום-מזרח אסיה, מסע בן 10,000 ק"מ ממערב למזרח כנגד הרוח הנושבת תמיד ממזרח למערב. תהיות אלו עתידות לשנות את חייו, ומאז הוא התמסר לאתנולוגיה וארכאולוגיה.
התנכלויות חוזרות ונשנות מצד התושבים על הרקע הדתי, ומצבה הגופני של ליב שהלך והתערער, והעובדה שבאי לא הייתה כל אפשרות לקבל טיפול רפואי, אילצו את בני הזוג להודות בכישלון רעיון החזרה לטבע, והם החליטו לחזור לנורווגיה. הם עלו בטהיטי על הספינה בחזרה לאירופה ב-27 בדצמבר 1937, שנה בדיוק מהיום שיצאו להרפתקה.
האירועים סביב שהותו באיי מרקיז, רוב הזמן בפאטו היווא, סופרו לראשונה בספרו På Jakt etter Paradiset ("בחיפוש אחר גן העדן", 1938), שנכתב יחד עם ליב. הספר יצא לאור בנורווגיה בהוצאת גילנדנדל (Gyldendal) באוסלו, אבל כמעט שלא נמכר למרות הביקורות הטובות ביותר. הוא מעולם לא תורגם, כנראה גם בגלל מלחמת העולם השנייה שפרצה זמן קצר אחר-כך. מאוחר יותר שוכתב הספר באנגלית לאחר הצלחת ספרו על מסע קון-טיקי בשם "פאטו-היווא, בחזרה לטבע" (Fatu-Hiva, Back to Nature). על פי הערת המחבר יצירתו הראשונה לא הייתה מעודכנת. סיפור התקופה ששהה בפאטו היווא וסיורו באיים השכנים היווא אואה (Hivaoa) ומוהוטני (Mohotani) מופיע גם בספרו "הארץ הייתה ירוקה ביום השביעי" (Green Was the Earth on the Seventh Day) שיצא ב-1996 בהוצאת רנדום האוס.
היירדאל מסכם את השנה בפולינזיה בספרו כך:
קנדה, ארצות הברית ומלחמת העולם השנייה (1939–1945).
באביב 1938 חזרו בני הזוג לנורווגיה, הם רכשו בקתת עץ מעל לילהאמר, וב-26 בספטמבר 1939 נולד בנם הבכור תור. בנורווגיה נטש היירדאל את מחקריו בזואולוגיה והחל במחקר יסודי על מנת לבחון את התאוריה שלו לגבי מקור הגזע הפולינזי ותרבותו. הוא העלה רעיון שההגירה לפולינזיה התבססה על משטר הזרמים והרוחות הקבוע באוקיינוס השקט, המושפע מסיבוב כדור הארץ, והיפנה, לפיכך, את מאמצי החיפוש שלו למקורו של הגזע הפולינזי לחופי אמריקה הדרומית. הוא ניצל שוב את הספרייה של קרופליאן להכנת כתב יד בנושא בשפה האנגלית: "פולינזיה ואמריקה" (Polynesia and America). פגישה מקרית עם אייוור פוגנר (Iver Fougner), נורווגי לשעבר שחי במערב קנדה, כחלק מקהילה של נורווגים לשעבר שעקרו למקום ממינסוטה בתחילת המאה ה-20, עוררה את עניינו בתרבות של האינדיאנים שחיו בעמק בלה קולה (Belle-Coola) בדרום-מערב הפרובינציה קולומביה הבריטית שבמערב קנדה, ולכן החליט היירדאל שעל מנת להשלים את המחקר הוא צריך להגיע לקנדה. איל הספנות הנורווגי תומאס אולסן הביע עניין ברעיון המהפכני של היירדאל ואיפשר למשפחתו להפליג באחת מהספינות שלו לוונקובר שבמערב קנדה ב-1939 תמורת תשלום סמלי.
באותה תקופה היו לפחות שתי תזות סותרות רלוונטיות: הרופא, הפוליטיקאי והאנתרופולוג הניו זילנדי סר פיטר באק סבר כי פולינזיה יושבה דרך מלנזיה, מהסיבה היחידה לכאורה שזה לא יכול היה לקרות דרך מיקרונזיה. האתנולוג השווייצרי אלפרד מטרו סתר זאת מכיוון שקבוצות הדם של ילידי מלנזיה ופולינזיה לא התאימו. בשל הידע שצבר על זרמי האוקיינוס, הכריז היירדאל כי שתי הדעות הטכניות מיותרות מכיוון שזרם קורושיו עולה מהפיליפינים דרך יפן בצפון האוקיינוס השקט מאסיה לצפון-מערב אמריקה, שם הוא פונה לאיי הוואי ולפולינזיה. בחלק גדול מהדרך מאמריקה לפולינזיה, נעזרו יורדי הים ברוחות הסחר מאחוריהם בנוסף לזרם. איש לא שקל בעבר מהלך אפשרי זה של התיישבות, אם כי היה ידוע כי האוכלוסייה שהתיישבה באיי קולומביה הבריטית ודאי הגיעה מאסיה, ועדיין חיה בתקופת האבן כשהאירופים הראשונים הגיעו.
ראשית, חקר היירדאל חומרים בוונקובר שלא היו זמינים בנורווגיה: .
תמונות וחפצים משל בני שבט הבלה קולה הזכירו באופן מדהים את חפצים פולינזים דומים. קווי דמיון אחרים בין פולינזים לאינדיאנים אמריקאים היו היעדר כלי חרס ואריגה, תנורי אדמה להכנת מזון, בגדים עשויים קליפות שהושרו במים ואז רוככו באמצעות פטישי עץ, גרזני אבן, דמיון בקרסי דיג, באלות, בכלי נגינה ובכלים אחרים, סירת שלחים כפולה (קאנו נתמך בשני מצופים) המאפשרת שיט בים ומנהגים דומים. היירדאל התיישב לכן בבלה קולה כדי להשלים את מחקריו באתר.
באפריל 1940 כבשה גרמניה הנאצית את נורווגיה והמשפחה נתקעה בתחילה בקנדה ללא כסף. היירדאל לא הצליח לנסוע הביתה, אך גם לא קיבל אישור עבודה מכיוון שנכנס לארץ באשרת סטודנטים. הנורווגים היו גם "במקרה הטוב לא רצויים", מכיוון שהיו שמועות בארצות הברית ובעקבות זאת גם בקנדה כי נורווגיה הצטרפה מרצון לנאצים. היירדאל נאלץ להפסיק את עבודתו בבלה קולה ולחפש פרנסה. הוא ניסה למכור את האוסף האתנוגרפי מפאטו היווא, אך נכשל. המשפחה גדלה, ליב ילדה (15 בספטמבר 1940) את ילדם השני, ביורן. למזלו איתר אותו תומאס אולסן ודאג לשלוח לו סכומי הכסף הדרושים להישרדות עד שיוכל לכלכל שוב את משפחתו. המשפחה עברה לבולטימור בארצות הברית שם עבד היירדאל כשומר במספנה. מפגש עם פרופסור אייזיאה באומן פתח בפניו את הדלת להצטרף למועדון מגלי הארצות (The Explorers Club) היוקרתי בניו יורק. היירדאל פרסם לראשונה את התאוריה שלו בביטאון International Science שיצא לאור בניו יורק בשנת 1941, כשעבד במוזיאון של קולומביה הבריטית. מאמר של הניו יורק טיימס על עבודתו של היירדאל הודפס מחדש במקביל לתגובה חריפה של האתנולוגית הפופולרית מרגרט מיד, שעוררה שנים של מחלוקת נגד התאוריות של היירדאל.
בסוף 1941 הצטרפה גם ארצות הברית למלחמה והיירדאל החליט להצטרף למאמץ המלחמתי. הוא פנה למשרד הגיוס הנורווגי בניו יורק, נשלח לעיירת חוף קנדית בנובה סקוטיה (9 ביולי 1942) שם הוא התגייס לכוחות המזוינים הנורווגיים. בהמשך קיבל הכשרה כמפעיל רדיו וכצנחן בטורונטו בקנדה, נשלח לפלוגת הצנחנים בבריגדה הנורווגית בסקוטלנד וב-1944 הוצנח בפינמרק שבצפון נורווגיה והשתתף ב-1944/45 כסגן בשחרור פינמרק, מבלי שירה אפילו פעם אחת. במהלך המלחמה זכה להכיר היירדאל חברים רבים, שניים מהם הצטרפו אחר כך למסע קון-טיקי. בסוף המלחמה במאי 1945 סיים היירדאל את לימודיו והצליח לחדש את מחקרו התרבותי-היסטורי.
מסע קון-טיקי (1947).
לאחר המלחמה חזר היירדאל לארצות הברית כדי להמשיך את לימודיו. הוא העלה תאוריה על פיה מקורם של הפולינזים בעם מגזע לבן שחי באזור אגם טיטיקקה שבבוליביה, עם שבנה את העיר טיוואנאקו, ושהובס על ידי שבטים אינדיאנים שקדמו לאינקה. על פי אגדות האינקה עמד בראש העם הלבן אל בשם "ויראקוצ'ה". היירדאל חקר ומצא כי שם זה אינו שמו המקורי. השם המקורי של מלך השמש, שליטם של "האנשים הלבנים", היה "קון-טיקי" ופירושו "טיקי השמש". לא היה ספק בליבו שהמנהיג האל טיקי, אשר לדברי האינקה גורש מפרו אל הים על ידי אבות אבותיהם, זהה היה עם טיקי בן-השמש אשר הפולינזים ראו בו את אבי גזעם. היירדאל לא ראה את הקולוניזציה של פולינזיה מאסיה כבלתי אפשרית, אך קשה יותר מכיוון שהיא דרשה להפליג נגד כיוון זרם הומבולדט ורוחות הסחר.