לאחר חצייתו של צ'ארלס לינדברג את האוקיינוס האטלנטי בטיסת הסולו בשנת 1927, הביעה איימי גסט, אישה אמריקאית עשירה שהתגוררה בלונדון שבאנגליה, את רצונה להיות האישה הראשונה שתטוס (או שיטיסו אותה) מעבר לאוקיינוס האטלנטי. לאחר שהחליטה כי הטיסה מסוכנת מידי בשביל לעשותה בעצמה, הציעה לממן את הפרויקט בכל זאת ולמצוא "אישה אחרת עם דמות ציבורית מתאימה". באפריל 1928, ארהארט קיבלה טלפון בשעת אחר הצהריים במהלך שעות העבודה מקפטן הילטון ריילי שביקש לדעת האם תרצה לחצות את האוקיינוס האטלנטי בטיסה. היא התראיינה עם מתאמי הפרויקט, ביניהם איש יחסי ציבור ג'ורג' פטנאם, והוזמנה להצטרף לטייס ווילמר סטולץ ולטייס המשנה והמכונאי לואיס גורדון. ארהארט הוגדרה כנוסעת אך היא קיבלה גם את התפקיד של לכתוב את יומן הטיסה. הטיסה נערכה ממדינת ניופאונדלנד שממזרח לקנדה (ניופאונדלנד לא הייתה אז חלק מקנדה) במטוס פוקר F7 ב-17 ביוני 1928 ונחתה בוויילס שבבריטניה כ-20 שעות ו-40 דקות לאחר מכן.
ארהארט הטיסה את המטוס בחלק מהטיסה. ביומן הטיסה כתבה "אם יימצאו ההריסות, דעו כי איבדתי את הדרך בסערה במשך שעה ולכן הכישלון". הצוות התקבל בקולות תרועה במצעד בניו יורק ובקבלת פנים בבית הלבן במעמד הנשיא קלווין קולידג'.
מאוחר יותר השתתפה ארהארט ב"דרבי המוטס של נשי קליבלנד" והגיעה למקום השלישי. למשך זמן מה הייתה מאורסת לסמואל צ'פמן, עורך דין מבוסטון. בינתיים לקח על עצמו פטנאם לקדם את ארהארט. בין השאר הוציא לאור ספר שכתבה, ערך הרצאות והשתמש בתמונותיה לקידום מכירות של מוצרים שונים, כגון מזוודות, סיגריות, פיג'מות ובגדי ספורט לנשים. השניים בילו זמן רב זה עם זה, דבר שהוביל לקרבה עמוקה. לאחר התלבטות מצידה של ארהארט נישאו השניים ב-7 בפברואר 1931.
ארהארט התייחסה לנישואיה כאל "שותפות" ללא מחויבות זוגית-מינית (נישואים פתוחים). במכתב שכתבה לבעלה זמן קצר לפני חתונתם נכתב "אני מבקשת ממך להבין כי אינך מחויב לעקרון הנאמנות של ימי הביניים, וכך גם לא אראה אני את עצמי קשורה אליך באופן דומה".
מאוחר יותר, בשנת 1931, קבעה לעצמה ארהארט שיא עולם של 5,613 מטר (18,415 רגל) בטיסה לגובה באמצעות מטוס אוטו-ג'ירו, מודל פיטקרן PCA-2.
ארהארט המריאה מהעיר הקנדית סנט ג'ון שבניו ברונסוויק במטוס חד-מנועי מסוג לוקהיד וגה, בשעות המקדמות של בוקר ה-20 במאי 1932. היא הייתה בת 34 באותה עת. היא עצרה בנמל בניופאונדלנד, והתכוונה להמשיך משם לפריז בדומה לטיסת הסולו של צ'ארלס לינדברג. רוחות צפוניות חזקות, מזג אוויר בעייתי ובעיות מכניות אילצו אותה לנחות בשדה מרעה על יד העיר דרי שבצפון אירלנד. על היותה האישה הראשונה שטסה טיסת סולו ללא עצירות מעל האוקיינוס האטלנטי, זכתה לכבוד רב. בין השאר קיבלה ארהארט מדליית DFC, מדליית צלב למצוינות בתעופה, על ידי הקונגרס האמריקני; צלב האביר של לגיון הכבוד מהממשלה הצרפתית; ומדליית זהב של נשיונל ג'יאוגרפיק מהנשיא האמריקאי הרברט הובר.
ב-11 בינואר 1935 הייתה ארהארט לאישה הראשונה שטסה בין הונולולו שבהוואי לאוקלנד שבקליפורניה בטיסת סולו. מאוחר יותר באותה שנה טסה בטיסת סולו מלוס אנג'לס למקסיקו סיטי, בירת מקסיקו, ומשם חזרה לניוארק שבניו ג'רזי. היא אחזה במספר שיאי עולם במהירות טיסות חוצי יבשת. בשנת 1935 הצטרפה לסגל של אוניברסיטת פרדו שבאינדיאנה כיועצת קריירה לנשים. במסגרת עבודה זו סקרה תחומי עיסוק חדשים עבור נשים צעירות, בוגרות האוניברסיטה.
הטיסה האחרונה, 1937.
ביולי 1936 קיבלה לידה ארהארט מטוס לוקהיד מדגם L-10E אלקטרה במימון אוניברסיטת פרדו, והתחילה לתכנן טיסה סובבת עולם. טיסה זו לא התעתדה להיות הראשונה להקיף את העולם, אולם היא תוכננה להיות הארוכה ביותר (47,000 ק"מ או 29,000 מיל), משום שנתיבה על קו המשווה היה ארוך יותר. הנווט פרד נוּנָן פגש את ארהארט דרך קשרים משותפים בלוס אנג'לס, והיא לבסוף בחרה בו לשמש כנווט הטיסה. לנונן היה באותה עת ניסיון רב בניווט ימי ובניווט תעופתי. הוא עזב לא מכבר את חברת התעופה פאן אם, שם ביסס עבור החברה את רוב נתיבי הטיסה של מטוסי ים באוקיינוס השקט. הוא קיווה כי הפרסום שיקבל מטיסה סובבת עולם יעזור לו להקים בית ספר לניווט משלו בפלורידה.
את הקטע הראשון של הטיסה, מאוקלנד שבקליפורניה לבירת הוואי, הונולולו, טסו השניים ביום פטריק הקדוש, 17 במרץ 1937. הטיסה חודשה שלושה ימים לאחר מכן, אך בזמן ההמראה, המטוס ביצע לולאת קרקע - כלומר המטוס הסתובב סביב צירו בעודו על הקרקע, ככל הנראה בעקבות תקר. כתוצאה מכך, המטוס ניזוק קשות עד כי היה צורך לשלוח את המטוס חזרה לקליפורניה לתיקון, והטיסה בוטלה. הניסיון השני התחיל ממיאמי, והפעם בטיסה לכיוון מזרח. השניים עזבו ב-1 ביוני, ולאחר עצירות רבות בדרום אמריקה, באפריקה, בתת-היבשת ההודית ובדרום-מזרח אסיה, הגיעו לעיר לאה שבגינאה החדשה ב-29 ביוני. בנקודה זו הושלם מסע בן 35,000 ק"מ (22,000 מיל). 11 אלף הקילומטרים (7,000 מיל) הנותרים מהווים טיסה מעל האוקיינוס השקט.
ארהארט ונונן המריאו מהעיר לאה בחצות הלילה לפי שעון גריניץ', ב-2 ביולי 1937. היעד היה האולנד, אטול בלתי מיושב צפונית לקו המשווה במרכז האוקיינוס השקט במיקום . אורכו של האי 2 ק"מ, רוחבו חצי ק"מ, והוא שוכן בגובה של שלושה מטרים מעל פני הים ובמרחק של 4,113 ק"מ (2,556 מיל) מנקודת המוצא. השניים נצפו בפעם האחרונה מעל איי ניקומרורו, כ-1,300 ק"מ (800 מיל) מנקודת המוצא. ספינת חופים מהירה, ה-USCGC Itasca, הוצבה בהאולנד על מנת שתיצור קשר עם ארהארט ושתנחה אותה לאי ברגע שתהיה בסביבה.
בשל סדרת אי-הבנות או טעויות (פרטים שנמצאים במחלוקת עד היום), ההגעה הסופית לאי האולנד באמצעות הרדיו לא הושגה, אולם תמסורת קולית של ארהארט מצביעה על כך כי היא ונונן האמינו שהגיעו למיקום האי על פי המפה. נטען כי מיקומם המוטעה של השניים, כתשעה ק"מ (5 מיל ימי) מהאי, נגרם בין היתר מעננים פזורים שיצרו מאות צללים דמויי-איים על הים.
הקשר אבד באופן סופי לאחר מספר שעות של ניסיונות כושלים בקשר דו-סטרי. ממשלת ארצות הברית הוציאה 4 מיליון דולר (כ-68 מיליון לפי שווי המטבע ב-2015) ובניסיון לאתר את ארהארט, בעלה של אמיליה השקיע גם הוא כסף בניסיון לאתר אותה. החיפושים שבוצעו על ידי חיל הים ומשמר החופים היו יקרים ומקיפים יחסית למקרים אחרים באותה תקופה, אך טכניקת החיפוש וההצלה לא הייתה מפותחת. תכנון החיפושים הושפע, ככל הנראה, מדאגת המחפשים לגבי האופן בו יסוקר באמצעי התקשורת תפקודם בחיפוש אחר הגיבורה האמריקאית.
השערות לגבי היעלמותה.
לדעת חוקרים רבים, הדלק במטוסם של ארהארט ונונן אזל, או שהתגלו בעיות במנוע, והשנים נאלצו לנטוש את המטוס בלב ים.
קבוצת TIGHAR.
ריק ג'ילספי, שחקר את המקרה במשך עשרות שנים ואף חיבר ספר אודותיו, עומד בראש קבוצה בשם "TIGHAR" (The International Group for Historic Aircraft Recovery). לטענתם, השניים הגיעו בטעות, או בנחיתת אונס לאי גרדנר (כיום האי ניקומרורו, השייך לרפובליקת קיריבאטי), מרחק 3,200 ק"מ מהוואי - מקום העצירה המתוכנן. ושם הצליחו להתקיים ימים ואולי יותר, עד למותם ברעב (או בידי חיות מקומיות). הם טוענים שארהארט שידרה יותר מ-100 קריאות מצוקה במכשיר הרדיו שלה בין התאריכים 2–6 ביולי 1937, וכי אחת מהן אף נקלטה במכשיר רדיו של נער בן 16 מפלורידה. מדיווחים שונים עלה, שהקריאות נשמעו גם באיווה, טקסס ואפילו בקנדה, שם אישה סיפרה ששמעה קול האומר "אנחנו מוצפים... לא נוכל לשרוד כאן עוד הרבה זמן". חקירת הקבוצה הניבה מגוון ממצאים ארכאולוגיים ואנקדוטליים התומכים בתאוריה זאת, אולם הם לא הצליחו להביא הוכחות ממשיות. בין הממצאים שצוינו כתומכים בתאוריה: סקסטנט מהסוג שנונן השתמש בו ונמצא ב-1940 באי, לצד שרידי מדורה ונעלי אישה וגבר; שרידי עצמות אדם ולצידן צדפות, איפור ובקבוקי זכוכית.
עוד ב-1940 קבעו רופאים שהעצמות שנמצאו הן של זכר. העצמות נעלמו. אך מאז 1998 ניסו תומכי התאוריה להוכיח שהעצמות שייכות לארהארט. במרץ 2018 פורסם מחקר של פרופסור ריצ'רד ג'אנץ (או ג'נטס) מאוניברסיטת טנסי, ובו נטען שהעצמות תואמות למבנה גופה של ארהארט בוודאות של כמעט 100 אחוז. לטענתו "האדם המתועד היחיד שאליו היו יכולות העצמות להשתייך הוא אמיליה ארהארט".
תאוריית איי מרשל.
תאוריה נוספת, שהתפתחה החל משנות ה-60, ושייכת יותר לז'אנר תאוריות הקשר, מעלה אפשרות שארהארט יועדה לטוס מעל לאיי מרשל על מנת לצלם מתקנים צבאיים יפניים עבור מודיעין טרום-מלחמתי, ואז להמשיך בטיסתה לכיוון האי האולנד. מטוסה יורט על ידי מטוסי קרב יפניים או סבל מתקלה מכנית, ואילץ את השניים לנחות באי. אז, הם נאסרו בידי היפנים ומתו בשבי, או הוצאו להורג באי סאיפאן.
תאוריה זו קיבלה חיזוקים מצד תושבים מקומיים שסיפרו שחזו בנחיתה, וכן שנים רבות לאחר מכן בעקבות תמונות שנחשפו והמציגות דמויות שנראות כארהארט ונונן בידי היפנים, ולדברי מומחים שונים ישנה סבירות גבוהה שמדובר בהם. יש גם הטוענים כי השניים חזרו לארצות הברית תחת שמות חדשים.
ספריה.
ארהארט הייתה סופרת מוכשרת ששימשה עורכת תעופה בכתב העת קוסמופוליטן בין השנים 1928 ו-1930. היא כתבה מספר לא מבוטל של מאמרים ופרסמה שני ספרים: