Sommeren 1912 ledet Stensiö en ekspedisjon til Spitsbergen, hvor han samlet inn fossile fisker og uramfibier fra trias. Ytterligere fem Spitsbergsekspedisjoner fant sted i 1913 og 1915-1918. I årene 1912-1915 gjennomførte Stensiö medisinstudier ved Karolinska Institutet men avbrøt dem for å utforske triasfiskene han hadde samlet inn. Dette resulterte i en doktoravhandling i 1921, som ble epokegjørende innen paleontologien ved at triasfiskene ble preparert og studert med en detaljrikhet som ikke var sett tidligere. Han ble i 1923 utnevnt til professor og forstander for Paleozoologiska avdelningen ved Naturhistoriska riksmuseet. Bortsett fra en tid som professor i Uppsala i 1933-1935 ble Stensiö værende i denne stillingen til han ble pensjonist i 1959.