Oceanograf og initiativtaker til Det geofysiske institutt i Bergen (grunnlagt 1917).
Professor i oseanografi ved Bergens Museum (1914–46). Helland-Hansen deltok som assistent på Kristian Birkelands nordlysekspedisjon til Finnmark i 1897, hvor han forfrøs fingrene og måtte amputere flere fingertupper. Han ga derfor opp medisinerstudiet og drømmen om å bli kirurg, og begynte å studere fysisk oseanografi i København. Helland-Hansen hadde et nært samarbeid med Fridtjof Nansen og sammen gav de ut en viktig monografi over Norskehavets hydrografi i 1909, The Norwegian sea. Helland-Hansen hadde også et nært samarbeid med Roald Amundsen, blant annet med ansvar for det vitenskapelige programmet for utforskninga av Polhavet. Fra 1917 var Helland-Hansen styrer av Det geofysiske institutt, og 1930–55 formann i styret for Chr. Michelsens Institutt. Helland-Hansen hadde gjennom sitt virke en meget sentral plass i utviklingen av den norske geofysikken i mellomkrigstida, og regnes internasjonalt i dag som en av grunnleggerne av fagdisiplinen fysisk oseanografi.