Wilson deltok i to britiske ekspedisjoner til Antarktis, begge under ledelse av Scott. Den første, Discovery-ekspedisjonen, ble gjennomført mellom 1901 og 1904. Han var med på ekspedisjonen som zoolog og kirurg. Sammen med Scott og Ernest Shackleton deltok han på en tur som til da var det sydligste noen hadde vært. Han ble senere forespurt av Shackleton til å være med på hans ekspedisjon til Antarktis i 1907, men takket nei.