Attaché au musée d'Ethnographie du Trocadéro, il organise en 1934 sa première expédition polaire. Le Commandant Charcot le dépose, avec trois compagnons, pour un an sur la côte est du Groenland, chez les Eskimo d'Ammassalik.

Début 1935, il traverse le désert de glace du Groenland (l'Inlandsis), d'ouest en est, en traîneaux à chiens, avec Robert Gessain, Michel Perez et Eigil Knuth.

En 1936, il y revient seul et s'installe à Kangerlussuaq (côte est) et vit au sein d'une famille pendant quatorze mois, "comme un eskimo parmi les eskimo".

En 1939, il fait un séjour d'études ethnographiques en Laponie, avec les docteurs Michel et Raymond Latarjet.

Il quitte la France après l'armistice de 1940, s'installe en 1941 aux Etats-Unis où il s'engage dans l'US Air Force. Pilote et parachutiste, il devient instructeur à l'Ecole d'Entraînement Polaire, où il crée les escadrilles de "Search and Rescue" pour l'Alaska, le Canada et le Groenland, chargées de la recherche et du sauvetage des équipages aériens.

En 1947, il crée les Expéditions Polaires Françaises (EPF) - Missions Paul-Emile Victor, qu'il dirigera jusqu'en 1976.

A la tête des EPF, Paul-Emile Victor conduit de nombreuses expéditions au Groenland (Arctique) et en Terre Adélie (Antarctique) où est construite une base scientifique française permanente. Il est en outre Chef de l'Expédition Glaciologique Internationale au Groenland (E.G.I.G.), Président du Scientific Committee on Antarctic Research - SCAR, Président du Comité Antarctique Français pour l'Année Géophysique Internationale (AGI).

A partir de 1962, il organise de multiples activités sur la défense de l'homme et de son environnement, et devient en 1968, Délégué Général de la Fondation pour la Sauvegarde de la Nature.

Il crée en 1974, avec Alain Bombard, Jacques-Yves Cousteau, Louis Leprince-Ringuet et Haroun Tazieff, le Groupe Paul-Emile Victor pour la Défense de l'Homme et de son Environnement.

Auteur de quarante ouvrages scientifiques, techniques et de vulgarisation, Paul-Emile Victor réalise en 1977 son second rêve d'adolescence : il s'installe avec sa famille sur une île déserte de la Polynésie Française, où il dessine, peint, expose.

En 1987, pour fêter ses 80 ans, il retourne en Terre Adélie puis au Pôle Nord.

Il s'éteindra sur son îlot, le 7 mars 1995, et sera, selon sa volonté, immergé depuis la frégate "Dumont d'Urville", de la Marine Nationale, au large de Bora Bora.