במהלך חייו כתב ספרים, מאמרים ומחקרים רבים בנושא חקר ישראל ועתיקותיה, בהם הספרים "מדריך ארץ ישראל" ואנציקלופדיית "אריאל". בנוסף למחקריו נודע וילנאי בסיורים הרבים שהדריך בכל רחבי הארץ, בהרצאותיו על טבע הארץ ותולדותיה בפורומים שונים ובהנחלתו את אהבת הארץ לשומעיו.
עם הצייר הישראלי צבי ברגר, ידידו הטוב, הוציא אלבום אמנותי בשם "Israel Horizons", שכלל 56 ליתוגרפיות מקוריות. העבודה על האלבום נמשכה שלוש שנים - וילנאי תרם לאלבום מעושר ידיעותיו בנופי ישראל וברגר רשם בעפרונו את המראות. האלבום זכה במדליית כסף בפסטיבל ה-6 לאלבומים אמנותיים במילאנו, בשנת 1965.
בשנת 1974 פרסם את ספרו האוטוביוגרפי ואהבת לארצך כמוך ובו תיאור על חייו כילד בשכונת חראת אל יאהוד בחיפה, חוויותיו מהכיבוש הבריטי במלחמת העולם הראשונה, מלימודיו בסמינר למורים בירושלים ועוד. הוא מתאר מספר מתגליותיו בארץ ישראל:
גילוי מצבת כריסטופר קוסטיגן שהיה צעיר אירי שהגיע ביולי1835 לחוף הארץ עם סירה קטנה אותה העביר דרך היבשה לכנרת ודרך נהר הירדן הגיע לים המלח וסייר בחופיו. עקב המסע המאומץ הוא חלה, הועבר למנזר הפרנציסקני בעיר העתיקה בירושלים שם נפטר. הוא נקבר בהר ציון. לאחר מלחמת ששת הימים מצא וילנאי את מצבתו מושלכת בחצר, המצבה נוקתה והונחה בקיר בית הקברות הקתולי. על שמו של קוסטיגן היה נקרא הקצה הצפוני של חצי האי "הלשון".
גילוי סירתו של תומאס הווארד מולינה שהגיע באוגוסט1847 באנייה לחיפה, שם הוריד את סירתו והעבירה דרך היבשה לכנרת ומשם הגיע דרך הירדן לים המלח וחקר את חלקו הצפוני. גם הוא חלה במסעו זה. הוא הועבר לאנייתו אך מת כשהגיעו לנמל ביירות ב-12 בספטמבר1847. סירתו הועברה לאנגליה. וילנאי חקר ומצא שהסירה משמשת כגג לסוכה באחת החוות ליד העיירה טורקי ועליה כתובת: "ספינה זו נבנתה ב-1836. בשנת 1837 עברה דרך עכו, קנה שבגליל, ים טבריה, ירדן, ים המלח, ירושלים, יפו". הסירה הועברה לישראל והייתה מוצגת במוזיאון בית היוצר בנווה זוהר, היום מוצגת בכניסה למבנה המשרדים של מפעלי ים המלח בבאר שבע. לפני שים המלח התייבש היה הקצה הדרומי של חצי האי "הלשון" קרוי על שם מולינה.
ב-1928, עם ייבוש ביצות כבארה, גילה וילנאי על אמת המים כתובות של הלגיון הרומי שאנשיו בנו אותה.
וילנאי נפטר ב-1988 והותיר אחריו שני בנים. לפני מותו ביקש להיקבר ליד בית שמש, בסמוך למושב נחם, מפני שבצעירותו ביקר בין צרעה ואשתאול, ודמותו של שמשון הגיבור הותירה בו רושם כה עז, עד כי ביקש להיקבר שם באחרית ימיו לצד קברה של אסתר רעייתו.
לאחר מותו הוקם על שמו 'מרכז וילנאי' ובו ספרייה גדולה בחצר סרגיי בירושלים[2]. המרכז שם לו למטרה להוות מוקד מידע בתחום חקר ירושלים ושימור האתרים ההיסטוריים המצויים בה. על שמו רחובות בחיפה ובבאר שבע, כמו כן יש רחוב על שמו בירושלים "דרך זאב וילנאי " ובו בתי מלון ידועים. חטיבת הביניים 'דקל וילנאי' ותיכון 'עמל דקל וילנאי במעלה אדומים נקראים על שמו. בישיבה החילונית של בינ"ה במתחם גני הטבע בתל אביב קרוי על שמו בניין מרכזי.
בנו אורן ומשפחתו הוציאו לאור, על פי מצוותו, את מדריך ארץ ישראל באנגלית לקראת האלף השלישי (The Vilnay Guide to Israel), סיימו לערוך את "אנציקלופדיית וילנאי לירושלים" וסדרה בעלת שלושה ספרונים של אגדות ארץ ישראל לילדים: "אגדות ארץ ישראל שסבא סיפר לאסתר".
בשנים 2006 ו-2007 פורסמו על ידי ספר וספל ספרי אגדות נוספים[3] מאת זאב וילנאי.
בשנת 2023 נחנכה ספריה לידיעת הארץ ע״ש פרופ׳ זאב וילנאי בכפר הנוער אשל הנשיא. הספרים נתרמו ע״י בנו מתן וילנאי, ומשמשים את חניכי הפנימייה לחיזוק ערכי אהבת הארץ והמדינה.
.jpg)
,_Israel_03.jpg)
