帰国後はクリスチャニア大学の動物学および海洋学の教授として科学調査や執筆活動を行った。ノルウェーがスウェーデンから独立を試みた1905年にノルウェー政府よりノルウェー代表に選ばれた。対するスウェーデン側は、探検家スヴェン・ヘディンを担上げている。こうした経緯からナンセンは、政治家としての道を歩んでいく。1906年から1908年まで駐英ノルウェー大使としてロンドンで暮らした。第一次世界大戦後は国際連盟の難民高等弁務官に就任し、ソ連政府との交渉、45万人以上の捕虜の交換帰国プロジェクトを成功させ、戦争難民のために「ナンセン・パスポート」と後に呼ばれた証明書を発行した（その他、ウクライナの大飢饉に苦しむウクライナ人をカナダに移住させる等）。1915年にはノルウェー防衛協会（Norges　forsvarsforening）の初代会長に就任し、1930年まで会長職を務めた。1922年に戦争難民の帰国および飢餓難民救済活動の功績が認められ、ノーベル平和賞を受賞した。彼の業績は国際連合難民高等弁務官事務所に継承され、彼は難民の父と呼ばれている。1925年、右翼組織「祖国」（Fedrelandslaget）の創設メンバーとして公の前で演説を行っている