Tuzo Wilson est reconnu pour ses travaux concernant la tectonique des plaques. Bien qu'il ne s'y intéresse qu'à partir des années 1960, il joue un rôle majeur dans le développement de cette théorie. C'est lui qui pointe la création de l'archipel d'Hawaï par le déplacement d'une plaque couvrant une grande part du Pacifique qui se déplace vers le nord-ouest au-dessus d'un point chaud. Il émet aussi l'idée des failles transformantes, deux plaques se déplacent en coulissant horizontalement l'une par rapport à l'autre, par exemple la faille de San Andreas.
John Tuzo Wilson décrit le ballet des continents à la surface de la Terre, qui comme actuellement se retrouvent fragmentés et dispersés, ou comme durant la période entre 300 et 200 Ma, sont regroupés en un unique supercontinent, la Pangée pour cette époque, selon un cycle auquel on a donné son nom, le cycle de Wilson. L'image ci-contre illustre quelque peu certaines de ces étapes.
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