En 1931, il commande l'expédition du sous-marin Nautilus, qui devient le premier sous-marin à naviguer sous la glace arctique. Il tente, sans succès, de naviguer sous le pôle Nord.

Pendant les années 30 , il repart quatre fois en Antarctique en tant que Commandant en second de l'expédition aérienne de Lincoln Ellsworth (voir l'article).

En 1937, il obtient la responsabilité de la section de recherche créée par l'Alaska et l'Islande pour retrouver l'expédition polaire soviétique commandée par Sigimund Levanevsky.

En 1940 - 1941, il est envoyé par le gouvernement américain en mission spéciale en Europe pour négocier des contrats d'approvisionnement en avions. Il se rend également en Chine, au Japon et en Thaïlande.

En 1942, il devient consultant du gouvernement américain (poste qu'il conserve jusqu'à sa mort). Il participe à des recherches géographiques et géologiques, des recherches sur l'aviation et sur les submersibles. Il organise des conférences sur les expéditions polaires et écrit de nombreux ouvrages.

Il décède le 1er décembre 1958. Le 17 mars 1959, le sous-marin nucléaire Skate faisant surface au pôle Nord disperse les cendres de Wilkins sur la glace arctique.