Ses expéditions sur l'ïle de Pâques sont considérées comme son meilleur travail (The archeology of Easter Island, 1961). Tout commence par un essai d'explication du mystère des fameuse statues géantes. Le travail de la pierre et la statuaire sont indubitablement Inca. En se fiant à la tradition orale des gens du cru, qui disaient que les statues 'marchaient', il peut faire un test pratique en redressant et en déplaçant une de ces énormes figures.

Un groupe de 23 personnes se livre à la première excavation jamais tentée sur l'île. Les nombreuses traces de pollen dans les sédiments prouvent que l'île a été boisée avant d'être déforestée par ses habitants originels, qui plantèrent des roseaux d'eau et d'autres plantes Sud-Américaines.

La datation au Carbone 14 montre que l'île fût occupée presque 1.000 ans plus tôt que le pensaient les scientifiques. En fait, Heyerdhal détermine trois périodes dans l'histoire de l'île. Pendant la première, les seules constructions étaient d'énormes autels orientés astronomiquement démontrant une très bonne connaissance de la maçonnerie par la précision avec lesquels les blocs de pierre sont ajustés. Pendant la seconde, les célèbres statues géantes on été créées et mises en place. Au point culminant de la production des statues, elles pouvaient atteindre 40 pieds de haut, peser plus de 80 tonnes et porter un chapeau de pierre pesant jusqu'à 12 tonnes sur la tête. Sur une période de 6 siècles, plus de 600 statues furent dressées et les forêts dévastées. La troisième période commence par un abandon des carrières de Rano Raraku dans lesquelles étaient taillées les statues. Des traces évidentes de combat et de destructions apparaissent. La seconde vague d'habitants venus de l'ouest auraient, selon les dires des autochtones, détruit les descendants de la première vague de population, venue de l'est.

L'expédition amasse les preuves de leur hypothèse pour la première période. Tout ce qu'ils trouvent ressemblent à d'autres découvertes faites à l'est de l'île, pas à l'ouest : les plantes aquatiques, la construction de bateaux en roseaux, l'utilisation de rames à double palette, les crochets en pierre d'une seule pièce pour la pêche… et l'écriture , qui ressemble à celle des indiens vivants près du Lac Titicaca dans les Andes.

Cela n'empêche pas Heyerdhal de continuer ses recherches sur les méthodes anciennes de navigation. Cette fois il s'intéresse aux bateaux construits en papyrus. La science moderne les considéraient comme impropres à la navigation de long court, car on pensait qu'ils devaient se détremper après 2 semaines dans l'eau. En 1969, Heyerdhal entreprend d'en construire un à partir de 12 tonnes de papyrus et avec une équipe d'experts. Le bateau de 15 m de long est lancé depuis le port Phénicien de Safi, au Maroc. Dans un esprit de coopération, Heyerdhal embarque 7 hommes de 7 nations différentes sous le drapeau des nations unies. Le Ra parcourt 5.000 km (2.700 miles nautiques) en 56 jours jusqu'à ce que les tempêtes et des défaults de construction force l'équipe à abandonner à juste une semaine des Barbades. La pollution de l'océan que l'expédition a pu observer sera rapportée aux Nations Unies et poussera Heyerdhal à participer activement à la protection de l'environnement.

Dans les années suivantes, Heyerdhal continue à étudier les moyens de navigations anciens. En 1977-78, le Tigris, une barque de roseau de type sumérien, lui permet de naviguer depuis Qurna en Irak jusqu'à Djibouti en Afrique par la vallée de l'Indus avec 11 personnes. Il dirige des fouilles archéologiques dans les Îles Maldives (1982-1984) et à Tucume au Pérou (1988-94) où il découvre les preuves d'une culture maritime pré-inca. Il reste un participant actif d' expéditions archéologiques et s'investit en tant que promoteur de la coopération et de la compréhension entre les peuples. A partir de 1990, il établit un projet archéologique entre la Norvège et l'Espagne dans les îles Canaries, il fait protéger comme héritage national les pyramides à degrés de Guimar à Ténérife et il fait partie du Comité Scientifique de la nouvelle fondation internationale de recherche FERCO : Foundation for Exploration & Research on Cultural Origins.

Il a reçu de nombreux honneurs et médailles. Dès 1950, il sera conférencier dans de nombreuses académies et universités, et il publie énormément. Il a participé à de nombreux congrès, entre autres, le International Congress of Americanists, le Pacific Science Congress et le Congrès International d'Anthropologie et d'Ethnologie. Il est aussi un militant anti-nucléaire actif, et a notamment critiqué sévèrement les essais nucléaires français sur Mururoa. Auteur prolifique, il a écrit 21 ouvrages sur ses recherches et produit des films documentaires sur le Kon-Tiki.