Sa première expédition le conduisit en Polynésie française en 1937-1938. Après s'être familiarisé avec le mode de vie local, en compagnie de son épouse Liv Coucheron-Torp, il séjourna une année sur l'île de Fatu Hiva, aux Marquises. 

Il y étudia les origines transocéaniques de la vie animale. Ses recherches, ainsi que le sens des vents et des courants marins, qui l'empêchaient, lui et ses amis polynésiens, de s'aventurer en mer pour pêcher, l'amenèrent à douter de la théorie selon laquelle les premiers habitants de la Polynésie seraient originaires du sud-est asiatique d'où ils seraient venus en navigant sur des distances de plus de 16000 km. 

Il se convainquit que les êtres humains qui colonisèrent les îles venaient de l'est, comme les espèces de la faune et de la flore locales. Abandonnant la zoologie, Thor Heyerdahl consacra dès lors son temps à prouver sa théorie qu'il publia en 1941. 

La Polynésie aurait été atteinte par deux vagues d'immigrants. La première serait venue du Pérou, en radeaux, via l'île de Pâques. La seconde, des siècles plus tard, serait arrivée de Colombie britannique en grands canoës doubles. 

Pendant la seconde guerre mondiale, Thor Heyerdahl retourna en Norvège. Il y servit comme volontaire parachutiste, dans les troupes de la libération. Plus tard, il raconta, fièrement, qu'heureusement il n'avait jamais tué personne. 

Après la guerre, il se consacra à nouveau à sa théorie. Ses travaux culminèrent lors du voyage qu'il entreprit, en 1947, sur le Kon-Tiki. En 1952, il entreprit une nouvelle expédition, aux îles Galapagos, sur la fois d'articles de la presse américaine qui faisaient état de l'existence d'une statue sur l'une des îles de l'archipel. Il espérait démontrer que ces îles avaient été peuplées à une époque très reculée. Malheureusement, la statue s'avéra être l'oeuvre d'un Allemand, installé dans l'île entre les deux guerres mondiales avec sa famille, qui avait voulu donner des leçons de sculpture à l'un de ses fils. Thor Heyerdahl n'en poursuivit pas moins ses recherches et découvrit quelques indices de peuplement ancien, dont des tessons de poteries. (Pour voir le faux moai, cliquez ici). 

Son étape suivante fut l'île de Pâques, en 1955. En effet, cette île tenait une place essentielle dans sa théorie de peuplement de la Polynésie à partir de l'Amérique du Sud.  

Si Viracocha, le dieu à torse de jaguar de Tihuanaco, a disparu vers l'ouest, pourquoi n'aurait-il pas réapparu, sous la forme de Kon-Tiki, Illatiki ou Tiki, dieux ou ancêtres sacrés des Polynésiens? 

En 1955, Thor Heyerdahl arriva donc à l'île de Pâques, avec un groupe de 23 chercheurs, pour réaliser les premières fouilles systématiques. 

Intrigué par le mystère de l'érection des moais, il s'y prit de la manière suivante pour le percer. Il mit au défi une dizaine de Pascuans de replacer une statue sur sa plate-forme. Non sans difficulté, ils y parvinrent en une vingtaine de jours, entassant des pierres à mesure sous le ventre du colosse et prenant pour leviers deux troncs de 5 mètres. Pourtant, la prouesse n'est pas complètement convaincante. D'abord, la statue était environ cinq fois moins lourde que les moais classiques. D'autre part, on n'eut pas à la déplacer de plus d'une centaine de mètres alors que, de la carrière à leur emplacement définitif, la plupart des moais ont été transportés sur plusieurs kilomètres. Enfin, les ouvriers abîmèrent la tête de la statue, alors que les moais édifiés par leurs devanciers sont restés intacts. 

Par ailleurs, sa théorie n'a guère convaincu les spécialistes. Le docteur Jo Anne van Tilburg, de l'Université de Californie, affirme, par exemple, que l'archéologie, la linguistique et la biologie prouvent à l'évidence que les Polynésiens sont originaires du sud-est asiatique. A ces critiques Thor Heyerdahl répondit qu'il n'avait jamais dit que les Incas peuplèrent la Polynésie mais seulement que des peuples d'Amérique du Sud ont pu atteindre la région avant l'arrivée des immigrants asiatiques, vers le 9ème siècle avant notre ère. 

Thor Heyerdahl vint pour la dernière fois à l'île de Pâques en 1997 pour y  tourner un film documentaire sur le travail réalisé en 1955.  

Thor Heyerdahl parlait couramment l'Espagnol et il s'était pris d'un véritable intérêt pour les Pascuans. Non seulement il ne subtilisa jamais la moindre pièce importante de leur patrimoine mais encore il s'efforça de leur faire rendre celles qui avaient été emportées. C'est ainsi qu'il parvint à faire restituer une statue de femme. Par ses expériences comme par ses écrits, il contribua à étendre à travers le monde la notoriété de l'île dont il était l'un des quatre membres honoraires du conseil des anciens.  

A la recherche de preuves nouvelles des contacts des civilisations antiques à travers les mers, il traversa encore deux fois l'océan atlantique (1969/1970-Expédition Ra) et navigua depuis l'Irak jusqu'aux Indes (1977-Expédition Tigris) pour revenir vers la corne de l'Afrique. Il saborda son bateau en vue de Djibouti pour protester contre les conflits qui ensanglantaient la région. 

Entre 1982 et 1984, il entreprit trois expéditions aux îles Maldives à la recherche d'un peuplement antérieur à celui des Musulmans. Il y trouva d'évidentes preuves archéologiques de l'existence de communautés bouddhistes et hindouistes. 

A la fin des années 80, il retourna au Pérou. Cette fois, ses investigations portèrent sur les pyramides de Tucumé. Il découvrit un temple dont les murs étaient illustrés d'embarcations de roseaux entourées d'hommes-oiseaux similaires à ceux de la mythologie pascuane. 

Au milieu des années 90, il fixa sa résidence à Tenerife, aux îles Canaries. Dans la localité de Guimar, il fut surpris de découvrir des pyramides là où les autochtones avaient identifié des cultures en terrasses. Selon lui, ces pyramides avaient été édifiées en utilisant les mêmes techniques qu'en Mésopotamie et dans l'Égypte antique. 

Son dernier travail le conduisit en Azerbaïdjan, où il se rendit pour essayer de trouver une relation entre les Vikings et les anciens habitants de la région. 

Au milieu de l'année 2001, il fut opéré d'une tumeur au cerveau qui se propagea et qui devait l'emporter. 

Thor Heyerdahl était père de cinq enfants qu'il avait eu de ses trois épouses. 

Pour réaliser cette page,  je me suis inspiré d'un article du journal chilien El Mercurio.