Вернулся в университет в 1908 году, начав изучать геологию под руководством сэра Эджуорта Дэвида. В 1910-1913 годах принимал участие в Британской антарктической экспедиции под руководством Роберта Скотта в должности геолога . С января по март 1911 года Дебенхем, вместе с тремя другими членами экспедиции (Гриффитом Тейлором, Чарльзом Райтом (физиком) и Эдгар Эвансом), исследовал и наносил на карту западные горы Земли Виктории (так называемое западное путешествие), проводя научные исследования и геологические наблюдения. Он не участвовал в походе к Южному полюсу из-за травмы колена, полученной во время игры в футбол на снегу, и вместо этого принял участие во «втором западном путешествии» вместе с Гриффитом Тейлором, Трюгве Граном и Уильямом Фордом. По возвращении из экспедиции в 1913 году работал в Кембриджском университете по обработке своих полевых наблюдений.