Cu aceasta, şederea în Franţa a lui Emil Racoviţă părea să se fi încheiat, fiindcă obligaţia de a-şi satisface stagiul militar l-a adus înapoi la Iaşi. Însă nu pentru mult timp, căci peste numai o lună primea din Liège o scrisoare prin care i se propunea să ia parte la o expediţie ce urma să exploreze ţărmurile Antarcticei. Era o ofertă mult prea ispititoare pentru ca Racoviţă să nu se angajeze fără ezitare în cutezătoarea călătorie. Astfel a devenit el naturalistul expediţiei antarctice belgiene, organizate şi conduse de locotenentul de marină Adrien de Gerlache de Gomery şi desfăşurate la bordul vasului ’’Belgica’’ între 1897 şi 1899.

Ea a fost cea dintâi care a avut ca obiectiv nu descoperirea de pământuri încă nedescoperite, ci efectuarea unor cercetări şi observaţii ştiinţifiice complexe, şi tot cea dintâi care a petrecut o întreagă iarnă polară în mijlocul banchizei australe. Pentru a înfăptui acest program, 19 oameni s-au urcat pe o corabie care, măsurând doar 32 metri în lungime şi 6,5 metri în lăţime, era cu adevărat o simplă ’’coajă de nucă’’, în trăinicia căreia trebuiau să se încreadă. Riscurile s-au dovedit a fi atât de mari, încât doi dintre ei au plătit cu propria lor viaţă îndrăzneala de a le fi înfruntat.

Ceea ce a primat a fost faptul că expediţia s-a încheiat cu un răsunător succes, în dobândirea căruia naturalistul român a contribuit din plin. Norvegianul Roald Amundsen, viitorul cuceritor al Polului Sud şi participant la expediţia belgiană în calitate de prim-ofiţer, avea să afirme mai târziu că Racoviţă a fost pentri toţi ’’un tovarăş nepreţuit de plăcut şi un explorator plin de îndemnuri’’. În plus, lui i se datorează şi neobişnuit de bogatul material ştiinţific colectat de-a lungul întregului periplu, căci s-a întors în Europa cu 1200 de piese zoologice şi 400 de piese botanice, la care se adaugă observaţiile extrem de amănunţite pe care le-a făcut cu precădere asupra balenelor, focilor şi păsărilor antarctice. Pentru studiul aprofundat al acestui material au fost solicitaţi nu mai puţin de 74 de specialişti, Racoviţă rezervând pentru sine elaborarea a patru lucrări. Dar, din păcate, nenumăratele îndatoriri cărora va trebui să le facă faţă în anii următori nu i-au îngăduit să finalizeze decât una singură, cea consacrată balenelor. Astăzi se mai ştie că în arhiva Muzeului de Istorie naturală „Grigore Antipa” din Bucureşti există un manuscris de 513 pagini, redactat doar parţial în formă definitivă şi care ar fi trebuit să constituie o a doua lucrare, având ca subiect focile. Iar faptul că ea nu a văzut lumina tiparului este cu atât mai regretabil, cu cât cea dintâi a servit multă vreme ca punct de referinţă în literatura de profil. În atare situaţie, era limpede că singurul loc unde se putea îngriji în condiţii optime de valorificarea preţioaselor sale colecţii era Laboratorul „Arago”, şi profesorul Lacaze-Duthiers l-a primit cu braţele deschise. Mai mult chiar, a socotit că discipolul său a dovedit suficiente calităţi pentru a se număra printre cei la care se gândea că i-ar putea fi succesori.La 1 noiembrie 1900, Emil Racoviţă a fost numit subdirector al Laboratorului ’’Arago’’, iar funcţia de director fiindu-i încredinţată lui Georges Pruvot, iar în anul imediat următor, aceiaşi doi colaboratori ai săi au devenit codirectori ai periodicului „Archives de Zoologie expérimentale et générale”,cea mai prestigioasă revistă de specialitate din Europa, pe care tot el o înfiinţase în 1872.

În vara anului 1904, în timpul uneia din neobişnuitele croaziere de cercetări pe care personalul laboratorului le întreprindea în bazinul răsăritean al Mediteranei, Racoviţă a făcut o vizită în Cueva del Drach, o renumită peşteră din Insula Mallorca. Aici, în apele întunecate ale unuia din marile lacuri pe care le adăposteşte această cavitate, el a capturat un mic crustaceu, însă necunoscut în ştiinţă şi pe care îl va descrie sub numele de Typhlocirolana moraguesi.

A fost descoperirea care va marca cea mai radicală cotitură din întreaga sa carieră de naturalist.Translucid şi lipsit complet de ochi, acest animal purta amprenta atât pregnantă a adaptării lui la neobişnuitul mediu pe care îl oferă adâncurile subterane, încât Racoviţă a intuit imediat că studiul aprofundat al fiinţelor care trăiesc în peşteri poate contribui în mare măsură la desluşirea complicatelor mecanisme ale evoluţiei biologice. Şi s-a dedicat acestui studiu renunţând definitiv la cercetările sale oceanologice.

A început prin a consulta lucrările publicate de diverşi zoologi, constatând nu fără surprindere că ele conţineau o atât de pronunţată divergenţă de opinii, încât nu puteau servi la alcătuirea unei imagini de ansamblu asupra faunei cavernicole. Trebuia, aşadar, să ajungă prin propriile lui mijloace la cunoaşterea lumii subpământene, ceea ce însemna explorarea unui număr cât mai mare de peşteri, situate în regiuni geografice dintre cele mai diferite. Însă pentru a reuşi, avea nevoie de un ajutor, şi a avut şansa să îl găsească repede în persoana lui René Jeannel, un tânăr şi întreprinzător medic licenţiat şi în ştiinţe naturale. Începând din vara lui 1905, au pornit să exploreze împreună peşterile de pe cei doi versanţi ai Munţilor Pirinei şi au făcut-o cu atâta râvnă, încât Racoviţă a fost foarte curând în măsură să îşi ordoneze ideile într-o viziune unitară. A expus-o în celebrul său „Eseu asupra problemelor biospeologice”, apărut în 1907 şi despre care Jeannel va spune peste trei decenii că a fost de la bun început şi a rămas statutul fundamental al biospeologiei.

Oricât de important s-a dovedit a fi pentru viitorul biospeologiei, „Eseul” nu a reprezentat decât un început în gândirea autorului său. Aşa cum s-a întâmplat şi în cazul expediţiei antarctice, pentru valorificarea materialului colectat în cursul explorărilor speologice era nevoie de zoologi specializaţi în cunoaşterea diverselor grupe de animale, iar acţiunea acestora trebuia subordonată unui ţel comun: reconstituirea istoriei naturale a domeniului subteran. Ca urmare, Racoviţă a înfiinţat o insolită întreprindere ştiinţifică, numită „Biospeologica” şi pe care a dirijat-o secondat de Jeannel. Ei aveau să i se asocieze 40 de colaboratori, unii dispuşi să se aventureze şi în adâncurile peşterilor, care şi-au unit eforturile pentru a desluşi tot mai multe enigme ale lumii subpământene şi datorită cărora programul iniţiat de Racoviţă a ajuns în 1919 la un bilanţ poate nesperat. În principalele regiuni carstice din Europa şi nordul Africii fuseseră explorate aproape 800 de cavităţi subterane, din care fuseseră colectate 20.000 de animale cavernicole, iar sub genericul „Biospeologica” apăruseră 41 de lucrări ştiinţifice însumând 3.400 de pagini. Şi nu trebuie omis faptul că, în anii Primului Război Mondial, Racoviţă şi-a întrerupt absolut toate cercetările, ocupându-se exclusiv de conducerea spitalului militar amenajat temporar în Laboratorul „Arago”.