Wilson kierował opracowywaniem pierwszych map lodowców Kanady; był pionierem stosowania zdjęć lotniczych w kartografii geologicznej; poszukując nieznanych arktycznych wysp dokonał – jako drugi kanadyjczyk – przelotu nad Biegunem Północnym (1946).
W latach 1958–1964 był członkiem National Research Council. Pełnił funkcję przewodniczącego Royal Society of Canada (1972–1973) i American Geophysical Union (1980–1982). Po przejściu na emeryturę w 1974 r. wykładał w University of Toronto jako profesor emeritus; w latach 1983–1986 był rektorem York University oraz dyrektorem Ontario Science Centre (do 1985).
Tematyka badań i publikacje Jego najbardziej cenione prace naukowe dotyczyły tektoniki płyt – artykuł A New Class of Faults and their Bearing on Continental Drift (1965; w wolnym przekładzie – „Nowa klasa uskoków i ich wpływ na dryf kontynentów”; zob. uskok transformacyjny) jest uznawana za przełomową w tej dziedzinie.