Wilson nam deel aan twee Britse expedities naar het Antarctische gebied. Tijdens de Discovery-expeditie onder leiding van Robert Falcon Scott die van 1901 tot 1904 duurde, was hij werkzaam als arts en zoöloog. Ernest Shackleton verzocht Wilson vervolgens ook mee te gaan met de Nimrod-expeditie van 1907, maar Wilson bedankte hiervoor. In 1910 ging hij echter wel mee met de eveneens door Scott geleide Terra Nova-expeditie, waarbij hij voor het wetenschappelijke deel verantwoordelijk was. Dit zou tevens Wilsons laatste expeditie worden; hij was een van de vijf mannen die op 18 januari 1912 de zuidpool bereikten, maar op de terugreis omkwamen in een sneeuwstorm.