Um die seefahrerischen Fähigkeiten der südamerikanischen Ureinwohner zu demonstrieren, unternahm er 1947 eine Expedition von Peru nach Polynesien auf einem Floß aus Baumstämmen, namens Kon-Tiki.
Bei der ersten archäologischen Expedition zu den Galapagos-Inseln entdeckte er die Grundprinzipien im Umgang mit den Flößen der Einwohner von Ecuador. Er organisierte eine norwegische archäologische Expedition zur Osterinsel und zum Ostpazifik, bei der er deutlich kulturelle Schichten mit Ähnlichkeiten zu Südamerika entdeckte und damit gleichzeitig die moderne Archäologie in Ostpolynesien einführte (1955-56). Nach seinen Experimenten im Pazifik lenkte er seine Aufmerksamkeit auf den Atlantischen Ozean. 1969 begann er Studien über die Navigationsmöglichkeiten auf Papyrusflößen zu betreiben, um 1970 die Ra II zu konstruieren und auf ihr mit einer internationalen Besatzung von Safi (Marokko) nach Barbados zu reisen. Er fuhr mit seinen Forschungen mit dem Boot Tigris fort, und segelte mit einer 11-köpfigen Mannschaft mit Mitgliedern verschiedenster Nationalitäten von Qurna (Irak) über das Industal nach Djibuti in Afrika (1977-78). Er organisierte von 1982-84 archäologische Expeditionen zu den Malediven, wo er buddhistische und hinduistische Tempelruinen aus der Zeit vor der islamischen Kolonisierung des 12.Jahrhunderts entdeckte. 1986-88 organisierte er norwegisch-chilenische archäologische Expeditionen zur Osterinsel, auf der er mehrere präinkaische Mauern ausgrub

und erste Experimente zum Transport von übergroßen Statuen in vertikaler Position durchführte. Im Jahr 1990 gründete er ein spanisch-norwegisches archäologisches Projekt auf den Kanarischen Inseln, mit dessen Hilfe er die Stufenpyramiden von Güímar (Tenerife) bewahren konnte, und hielt den Vorsitz des Internationalen Wissenschaftlichen Komitees der 1992 gegründeten Stiftung FERCO (Foundation for Exploration and Research on Cultural Origins) inne. Im Jahre 2001 organisierte er eine russisch-norwegische archäologische Expedition nach Azov, im Delta des Flusses Don, die enthüllte, dass diese alte befestigte Stadt in der Antike ein sehr bedeutendes Handelszentrum war.