In 1940 ontving Papanin zijn tweede 'Held van de Sovjet-Unie'-onderscheiding voor de organisatie van de expeditie die de ijsbreker "Georgi Sedov" redde. Tijdens de Fins-Sovjetische Oorlog organiseerde Papanin de militaire transporten op de Witte Zee. Tijdens de Tweede Wereldoorlog was hij de vertegenwoordiger van de Staatsdefensiecommissie en was als zodanig verantwoordelijk voor al het transport over de Noordoostelijke Doorvaart. In 1941 en 1942 werd hij ingezet in Archangelsk, waar hij verschillende havens liet uitbouwen waarover de levering van geallieerde voorraden in het kader van de "Lend-Lease Act" liep. Ook liet hij de haven van Moermansk, die zwaar was gebombardeerd door Duitse vliegtuigen, ondanks zijn ligging vlak bij het front toch repareren, aangezien het de enige ijsvrije haven was in de winter. In 1943 werd hij benoemd tot schout-bij-nacht (Контра-адмирал) en was hij actief in het oostelijk deel van de Noordoostelijke Doorvaart om de overdracht van vliegtuigen uit de Verenigde Staten te organiseren. Daarnaast liet hij ook enkele konvooien komen uit het oosten via de Noordoostelijke Doorvaart. Vanaf 1944 kreeg Papanin door zijn hartziekte zulke problemen dat hij in 1946 het bevel over de Noordoostelijke Doorvaart moest opgeven.