1901 nahm Koettlitz an Robert Falcon Scotts Discovery-Expedition in die Antarktika als Arzt und Biologe teil. Vieler seiner dabei genommenen Proben liegen heute in den Archiven des Natural History Museum in London. Sein Assistent war Edward Adrian Wilson, der später als Arzt an Scotts Südpolreise teilnahm und dabei verstarb. Bei einem Vorstoß über den McMurdo-Sund entdeckte Koettlitz die später nach ihm benannten Koettlitz-Gletscher und Koettlitz-Firnfeld. Für seinen Beitrag zur Discovery-Expeditione erhielt er eine Medaille der Royal Geographical Society.