Bald nach seinem naturwissenschaftlichen Abschluss bereiste Lumholtz von 1880 bis 1884 im Auftrag des Zoologischen und Zootomischen Museums der Universität von Christiania (Oslo) Süd- und Nordost-Australien um neue Säugetierarten zu entdecken und Belegstücke für das Museum zu sammeln. Aufgrund seines Interesses für Naturvölker nahm er Kontakt zu den Aborigines auf, welche ihn bei seiner Suche unterstützen. Sie berichteten ihm von einem ungewöhnlichen Tier, welches auf Bäumen in den Gebirgen nahe der Küste lebt. Lumholtz machte sich auf die Suche und entdeckte die erste von zwei in Australien vorkommenden Baumkänguru-Arten, welche nach ihm Lumholtz-Baumkänguru (Dendrolagus lumholtzi) benannt wurde. Zuvor waren Baumkängurus nur von Neuguinea bekannt.