Auf der Reise zu einem Wettkampf im französischen Chamonix im Jahr 1909 traf er in Lübeck zufällig den Polarforscher Roald Amundsen. Bjaalands Reputation als Skifahrer und seine praktischen Fähigkeiten als Zimmermann beeindruckten Amundsen so sehr, dass er Bjaaland die Teilnahme an seiner Nordpol-Expedition anbot. Bjaaland willigte ein, damals aber noch nicht wissend, dass das Ziel von Amundsens Fram-Expedition die Antarktis werden sollte. Gemeinsam mit Jørgen Stubberud war er federführend an der Errichtung des Basislagers Framheim in der Bucht der Wale am Rand des Ross-Schelfeis beteiligt sowie für die Reparatur und Verbesserung der Ski- und Schlittenausrüstung verantwortlich. Gemeinsam mit Amundsen, Helmer Hanssen, Sverre Hassel und Oscar Wisting erreichte er als Schlittenführer am 14. Dezember 1911 den Südpol. Nach der Antarktis-Expedition schlug Bjaaland Amundsens Angebot aus, an einer Expedition zur Durchfahrung der Nordostpassage teilzunehmen.