Bei einem Besuch in London bewarb sich Davis bei Ernest Shackleton zur Teilnahme an dessen Antarktisexpedition (1907–1909), nachdem er zufällig auf das Expeditionsbüro in der Regent Street gestoßen war. Davis erhielt auf der Hinreise in die Antarktis den Posten des Ersten Offiziers an Bord des Expeditionsschiffs "Nimrod" unter Kapitän Rupert England (1878–1942). Diesen Posten hatte er auch inne, als die "Nimrod" unter Kapitän Frederick Pryce Evans (1874–1959) im März 1909 die Landungsmannschaft von der Ross-Insel zur Rückkehr nach Neuseeland wieder aufnahm. Am 25. März 1909 erhielt Davis die Befehlsgewalt über die "Nimrod". Mit weiteren Expeditionsteilnehmern an Bord, darunter Harry Dunlop und Alfred Cheetham, brach das Schiff am 8. Mai 1909 von Sydney zu einer Fahrt in den südlichen Pazifik auf. Davis sollte südlich des 50. Breitengrades die Existenz einiger in den Karten der Admiralität als zweifelhaft vermerkter subantarktischer Inseln und Inselgruppen überprüfen. Die Route führte ostwärts über die Royal-Company-Inseln, die Emerald-Insel, die Nimrod-Gruppe und Dougherty Island, die sich allesamt als Phantominseln entpuppten. Ferner stellte Davis fest, dass die Macquarieinsel in den Seekarten an einer falschen Position eingezeichnet war. Nachdem die "Nimrod" Ende Juni Kap Hoorn umrundet hatte, traf sie nach einem Zwischenstopp in Montevideo und einer fast zweimonatigen Fahrt über den Atlantik am 24. August 1909 in Falmouth ein. Danach half Davis Shackleton bis März 1911 bei der Abwicklung der verbliebenen Expeditionsangelegenheiten.