Vuonna 1907 Ernest Shackleton kysyi Davidia mukaan retkikuntaansa Etelämantereelle. David sekä hänen entiset oppilaansa Douglas Mawson ja Leo Cotton liittyivät Shackletonin retkikuntaan joulukuussa 1907. Maaliskuussa 1908 David johti tutkimusmatkan aikana ryhmää, joka onnistui tekemään ensimmäisen nousun Mount Erebuksen huipulle. Shackleton antoi tämän jälkeen Davidille tehtäväksi johtaa magneettiselle etelänavalle yrittävää ryhmää. David, Mawson ja nuori skottilääkäri Alistair Mackay pääsivät ensimmäisinä ihmisinä magneettiselle etelänavalle. He tekivät navalle neljän kuukauden matkan, jonka aikana he taivalsivat yhteensä 1250 kilometriä. David saavutti Etelämantereen-tutkimusmatkan ansiosta kansansuosiota Australiassa.