В 1900 году верхом преодолел Памир.
В 1903—1905 годах, совместно с Альбертом Тафелем, осуществил экспедицию в Западный Китай, исследовав район от Синина до Тибета.
В 1910 году работал на Шпицбергене.
В 1911—1912 годах возглавил 2-ю Германскую Южнополярную экспедицию, отплывшую на корабле «Дойчланд» к Антарктиде. В шельфовых водах Антарктики открыл и исследовал Землю Принца Луитпольда, где обнаруженная им гигантская ледяная долина размером в 500 000 км? названа в 1912 году в его честь — Шельфовый ледник Фильхнера.
В 1926—1928 годы Фильхнер осуществил новые экспедиции в Центральную Азию, во время которых он между Таримской котловиной и Кашмиром, а также в районах между Синином, болотами Цайдама и Тибетом провёл электромагнитные и метеорологические исследования. Выполняя подобные же научные работы, в предвоенные годы Фильхнер выезжал также в Непал.
Во время Второй мировой войны исследователь был интернирован англичанами в Индию, откуда вернулся в Европу в 1951 году.