Se graduó en la Academia Naval en San Petersburgo en 1908.

En 1913-1915, dirigió la Expedición Hidrográfica al Océano Ártico, a bordo de los buques rompehielos Taimyr y Vaigach, con el propósito de continuar la exploración de la Ruta del Mar del Norte.

En 1918, Vilkitski fue nombrado jefe de la primera Expedición Hidrográfica Soviética, que nunca tuvo lugar debido a su incautación por los intervencionistas en el puerto de Arjánguelsk.

Mucho más tarde, Vilkitski fue empleado como hidrógrafo en el Congo Belga.

Muchas accidentes geográficos rusos llevan el nombre de Vilkitski: