1888年，南森提出要横跨世界第一大岛格陵兰，然而这一提议不为世人所理解，很多人认为这是一个沽名钓誉、鲁莽的举动，但南森并未因世人的轻视而动摇，在遭到挪威政府拒绝资助的回复后，他就去丹麦募集资金。
1888年5月，南森终于同5位助手乘坐一只海豹捕猎船登上了荒凉的格陵兰的东海岸。由于冰的状况考察组在靠岸之后退到了相当大的困难。8月16日他们开始由东向西艰苦地行进。10月上句，南森到达格陵兰西海岸上的戈德撤泊村。但是因为最后的一班轮船已经起航，所以他们不得不在那里过冬。经过400多英里的长途跋涉，他们最后终于精疲力竭地抵达了目的地。1889年春天，南森回到了挪威，国人的态度也因此而改变，把他奉为了英雄。
格陵兰岛的探险使南森得到了许多在极地附近生活的经验，同时也赢得了上至国王下至普通百姓的支持。1893年6月24日，南森率领“前进号”向北冰洋进发。
9月24日，“前进号”已被厚厚的冰块围住了，浮冰之间夹有能迅速冰冻的融冰浆，南森曾在日记中写道：“我们越来越快地被封冻在中间了，现在冬天就要来了。”言辞之中透露着一种喜悦。
可这也是关键时刻了，四面看不到海水，只见一望无际，高低不平的冰原。这都是些缓慢漂移的巨大的浮冰块，但它们说不定什么时候便会发生碰撞，一块滑到另一块上面，堆积成高达了15～25尺的压力巨大的冰脊。处在其间的“前进号”随时都有被挤破的危险。
10月9日，事情终于发生了，南森在他的日记中谈到“前进”号与浮冰搏斗的情景：“一声震耳欲聋的巨响，船体摇晃，像是发生了一场地震，冰堆上下起伏着，向‘前进’号挤压过来。但船没有被压垮，冰只是把船抬起来，当压力缓解时，船又慢慢地降落下去。
在海流的作用下，“前进”号继续向北漂流。在这期间，南森和队员们每天读书、唱歌、打牌；天气晴时则到冰上打猎，捕捉北极熊。他们根本不像是探险，而更像旅游，路上的每一处美丽的去处都让他们惊叹不已，尤其是美丽壮观的北极光，更令他们神往。
不过他们并没有忘记本职工作，这几个月里，他们的主要工作仍然是认真地进行各项考察项目。每4小时就记录一次天气数据，隔一天进行一次天文观测。他们还测量海洋的温度，盐度、深度和洋流，从海底挖取样品，仔细测绘前进号航线。
转眼到了1894年的冬天，南森清楚地认识到，这样坐在船上是不可能漂到北极点的。于是，他决定破釜沉舟，便与一个叫约翰逊的伙伴一起，离开“前进”号，从冰面上向北极点进发。南森决定在2、3月份出发，因为上一年他曾观察过，这时冰面最平坦，最适于狗拉雪橇行走，而到了5月，冰原将开始融化为一块块浮冰，前进将会受阻。
1895年3月14日，南森和约翰逊告别了船上同伴，带上28条狗、3架雪橇、2条皮舟、1个帐篷和足够100天吃的、用的粮食和物品，往北前进。
二人在一望无际的平坦的冰原上疾驰，最初几天，他们每天可以前进14多英里，如果能保持这个速度，不久即可大功告成。然而由于春天逼近，冰雪开始融化，无法继续前进，他们只好返回。在返回的途中，两人又陷入了由无数冰脊组成的迷宫，一堆堆冰砾布满了冰脊之间的通道，雪橇经常翻车，因而不得不花大力气把它们扶起来，甚至有时还要抬着它们翻越冰包，狗有时拉着沉重的雪橇翻越高耸的冰脊显得特别吃力，他们只得从雪橇上下来帮狗一起拉，在这连绵不断的冰石流中前进。
经过艰苦跋涉，1895年8月底，南森和约翰逊到达了法兰士约瑟夫地。他们靠打猎为生，顽强度日，在自己建造的一幢石屋里住了整整8个月，度过了第三个冬天。在岛上，他们进行了大量的勘测，并收集了许多珍贵的地质标本。
1896年5月19日，南森和约翰逊又开始向南行进了。6月19日，正当南森在帐篷里准备早餐，忽然听见狗在狂吠，他以为有北极熊来袭，急忙携枪冲出。撞入他视线的居然是一队人，领头的恰是他熟识的英国探险家弗雷德里克·杰克逊，幸运的南森终于得救了。
南森此时并不知道，“前进号”在同一天在斯匹茨伯根（斯瓦尔巴德群岛）摆脱了最后一块浮冰，三年以来第一次开始向南航行，这也证明了南森的理论是正确的，“前进号”所借助的洋流正是他认为肯定存在的。