Com a explorador, va liderar l'equip que va explorar per primer cop l'interior de Groenlàndia l'any 1888, en una expedició amb esquís, i va guanyar fama internacional quan va establir un nou rècord de latitud 86º 14' durant l'expedició Fram de 1893–1896. Tot i que va retirar-se de l'exploració després de tornar a Noruega, les seves tècniques de viatge i les innovacions en equipament polar, van influenciar tota una generació d'exploradors polars a l'Àrtic i l'Anctàrctic, especialment l'Expedició Amundsen que va assolir per primer cop el Pol Sud utilitzant el mateix vaixell Fram.