После прихода к власти большевиков Вилькицкий некоторое время служил в Главном гидрографическом управлении. В этот период советское правительство приняло решение продолжить работы Гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана. Поскольку в северных районах европейской части России дела с продовольствием обстояли плохо, возник проект вывоза хлеба из Сибири по Северному морскому пути. Знаний о последнем катастрофически не хватало, поэтому одновременно с посылкой судов за хлебом планировалось организовать гидрографическую экспедицию для научного исследования западной части Северного Ледовитого океана. Предполагалось, что она будет состоять из трех отрядов: Карского моря, Самоедского берега и Новой Земли, а также Обь-Енисейского.
Основной базой экспедиции стал Архангельск, ее начальником 15 апреля 1918 г. был назначен Б. А. Вилькицкий, непосредственно подчинявшийся командующему флотилией Северного Ледовитого океана. Для комплектования экспедиции, говоря казенным языком, широко использовался личный и судовой состав флотилии. Из Петрограда, Москвы и других мест в Архангельск поступали грузы и материалы, прибывали специалисты.
В начале июня в Архангельск приехал Вилькицкий. Шестого числа он выступил на III делегатском съезде флотилии Северного Ледовитого океана с докладом о подготовке экспедиции к устьям сибирских рек. Борис Андреевич обосновал необходимость посылки экспедиции для изучения условий плавания и установки навигационного оборудования – без этого было невозможно организовать вывоз зерна. Кроме того, следовало заменить зимовщиков на немногочисленных полярных станциях, вернее – радиостанциях. Съезд эти доводы принял, благодаря чему в распоряжение Вилькицкого поступили транспорты «Таймыр» и «Вайгач», сданное к порту посыльное судно «Бакан» и ряд других единиц. Когда 2 августа в Архангельске произошел антибольшевистский переворот, там оказалась незначительная часть имущества экспедиции, но при этом около половины офицерского состава и ⅔ команды.
В 1918 г. Вилькицкий организовал плавание в устье Енисея для постройки радиостанции в селе Дудинка, снабжения радиостанции на острове Диксон и замены на ней личного состава. Во время этого похода погиб ледокольный пароход «Вайгач», 8 сентября наскочивший в тумане на подводную скалу у мыса Ефремов Камень в Енисейском заливе.
В следующем году Северный морской путь приобрел большое значение для белых сил. Как известно, основные союзнические поставки шли в Сибирь через Владивосток. Между тем в 1919 г. существовала возможность получения различных грузов и переброски пополнений из Архангельска. Поэтому колчаковское правительство 25 апреля 1919 г. учредило Комитет Северного морского пути, одной из задач которого была организация Карской товарообменной экспедиции по доставке офицерского пополнения и различных грузов из Архангельска в Сибирь.
Безопасность мореплавания и ледовую разведку обеспечивала Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана, которую по-прежнему возглавлял Б. А. Вилькицкий. В плавании 1919 г. приняли участие три группы судов. Первую составили «Иван Сусанин» и «Полярный», которые направлялись на остров Диксон, а также «Арктур» и «Альтаир», шедшие до острова Вайгач. Во вторую группу входили небольшие гидрографические суда «Иней», «Орлик», «Шуя», «Полезный» и «Анна» под командованием гидрографа К. К. Неупокоева. Впоследствии, при отступлении колчаковских войск из Западной Сибири, все они достались красным. Третья группа транспортных ледокольных судов под командованием капитана 1-го ранга И. В. Мессера состояла из судов «Соломбала», «Кильдин», «Пахтусов», «Колгуев» и ледокольных пароходов «Таймыр» и «Соловей Будимирович». Последние направились к острову Диксон, причем в их задачу входила не только проводка судов во льдах, но и гидрографические работы.
Деятельность экспедиции оказалась малоуспешной – в основном из-за военных неудач антибольшевистских сил. В феврале 1920 г. белый фронт на Севере был прорван, и Вилькицкому, получившему еще 16 октября 1919 г. контр-адмиральский чин, пришлось принимать активное участие в эвакуации Архангельска, будучи комендантом посыльного судна «Ярославна».