Paul Bjørvig deltok på en rekke ekspedisjoner til Arktis og Antarktis i årene rundt 1900, og gjennomførte flere overvintringer i polarområdene under strabasiøse forhold.
Han drog på Ishavet for første gang som 13-åring med sin far til området ved Novaja Zemlja. De forliste der på en ny ekspedisjon året etter, og mannskapet kom seg med en russisk skonnert til Vardø. Deretter ble det stort sett årlige fangstturer til Svalbard.
1894 ble Bjørvig hyret på amerikaneren Walter Wellmans første nordpolsekspedisjon. Ekspedisjonen gjorde flere forsøk på å gå over isen fra Svalbard, men kom ikke langt og skipet Ragnvald Jarl ble skrudd ned i isen ved Waldenøya. Sommeren 1896 var Bjørvik assistent på den svenske geologen Gerard de Geers ekspedisjon til Svalbard, en tur som han regnet som den mest interessante han hadde på Ishavet. Sommeren etter var han hjelpemann for cruiseturister på jaktturer på Svalbard, med Otto Sverdrup som kaptein.
1898 fulgte han Wellman på en ny nordpolsekspedisjon, denne gangen fra Frans Josef Land. Av nestkommanderende, Evelyn B. Baldwin, ble Bjørvig og Bernt Bentsen (en av Nansens Fram-mannskaper) satt til å overvintre på en fremskutt base på Kapp Heller, mens de andre lå i hovedbasen lenger sør. Her måtte de to overvintre under forferdelige forhold i en fuktig og iskald stein- og torvhule med et minimum av utstyr. Bentsen ble syk 1. november og døde 2. januar 1899. Bjørvig hadde da pleiet ham og holdt humøret oppe så godt han kunne. Frem til avløsning 27. februar beholdt han sin døde kamerat i soveposen hos seg, for at isbjørn og rev ikke skulle skjende liket. Hans dagbok vitner om hans rolige og sindige natur og indre krefter gjennom hele det fryktelige oppholdet. Et kort fremstøt nordover med Wellman ble iverksatt i mars, men ble fort avblåst og ekspedisjonen returnerte til Norge.
1901–03 bar det til Antarktis på skipet Gauss med Den tyske sydpolare ekspedisjonen under ledelse av Erich von Drygalski. Deretter deltok Bjørvig på Wellmans neste ekspedisjoner til Svalbard, hvor han også overvintret som vaktmann i basen på Danskøya 1906–07 og 1908–09. Det siste året opplevde han igjen å miste en kamerat, da Knut Johnsen forulykket ved drukning i midten av mai. 1910 deltok han i grev Zeppelins ekspedisjon til Svalbard, og 1911–13 reiste han til Antarktis med en ny tysk ekspedisjon på skipet Deutschland, ledet av Wilhelm Filchner.
I tillegg til de nevnte ekspedisjonene, drog Bjørvig stort sett årlig på småfangst- og fiskeekspedisjoner til Svalbard. På sine eldre dager ble han en kjent skikkelse i Tromsø med sitt lange, hvite skjegg.
Bjørvig skildret sitt liv i polarområdene i manuskriptform, med tittelen Oplevelser i Nord- og Sydishavet. Her forteller han om hvordan fangstlivet i Arktis artet seg på den tiden, om forlis av navngitte skip og skippere, om de økonomiske forhold og om de nær sagt dagligdagse farer og strabaser. Her står også detaljer om ekspedisjonene han var med på. Manuskriptet og hans originale dagbøker, som finnes i Norsk Polarinstitutts bibliotek, vitner om en sterk og nøktern personlighet med evne til å videreformidle usedvanlige opplevelser på en klar og konsis måte.