Контр-адмирал
Но самым главным делом жизни Вилькицкого, навеки внесшим его имя в историю географических открытий, стала Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана 1913–1915 гг. В ней принимали участие два ледокольных транспорта — «Таймыр» и «Вайгач». 7 апреля 1913 г. Вилькицкий был назначен командиром «Таймыра» и помощником начальника экспедиции, а 16 августа того же года он возглавил ее.
21 августа 1913 г., находясь севернее полуострова Таймыр, участники экспедиции обнаружили неизвестный ранее остров, получивший название Земля Николая II (в СССР он был переименован в архипелаг Северная Земля). Пролив между полуостровом Таймыр и вновь открытой землей получил название пролив Цесаревича Алексея. Обнаружение Северной Земли стало крупнейшим географическим открытием XX в. Также в навигацию 1913 г. экспедиция открыла и нанесла на карты остров (получивший название остров Вилькицкого), описала Землю Императора Николая II, острова Цесаревича Алексея (Малый Таймыр) и Старокадомский. После окончания навигации корабли пришли во Владивосток, откуда Вилькицкий отправился в Санкт-Петербург, чтобы отчитаться о результатах. В знак особой милости императора, 20 марта 1914 г. Вилькицкий был зачислен в Свиту Его Величества.
В 1914–1915 гг. «Таймыр» и «Вайгач» совершили первое в истории сквозное плавание из Владивостока в Архангельск по Северному морскому пути с одной зимовкой. Тогда был открыт остров Новопашенного (ныне — остров Жохова) и произведены многочисленные научные наблюдения, а также уточнения координат ряда географических пунктов. Высоко оценил результаты экспедиции великий полярник Р. Амудсен: «
В дальнейшем Вилькицкий, как боевой офицер, не мог оставаться в стороне от военных действий. С 23 ноября 1915 г. он командовал эсминцем «Летун», который 7 ноября 1916 г. подорвался на мине, поставленной германской подводной лодкой в 11 милях от Ревельской гавани. Во время катастрофы корабль получил серьезные повреждения в кормовой части, пострадали 19 человек, но при этом «
В 1917–1918 гг., получивший к тому времени чин капитана 1-го ранга, Вилькицкий служил в составе службы связи Балтийского флота.
После прихода к власти большевиков Вилькицкий некоторое время служил в Главном гидрографическом управлении. При этом он старался помогать офицерам флота, организуя им фиктивные командировки, по которым они могли пробраться из Петрограда к основным очагам антибольшевистской борьбы. Кроме этого, он занимался отправкой в Архангельск эшелонов с различным флотским имуществом в расчете на продолжение проведения работ Гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана. В июне 1918 г. Вилькицкий прибыл в Архангельск, где 2 августа произошел антибольшевистский переворот.