Bernacchi vendte snarlig tilbake til Antarktis, denne gang som fysiker på Robert Falcon Scotts Discovery-ekspedisjon (1901–1904). Bernacchi var den eneste av ekspedisjonsdeltakerne som hadde vært i Antrktis tidligere. I løpet av reisen gjennomførte han omfattende magnetiske observasjoner. I kjølvannet av ekspedisjonen ble Bernacchi hedret med Polarmedaljen og Æreslegionen. Scott var forlover for Bernacchi da han giftet seg i England i 1906, og tilbød ham plass på den forestående Terra Nova-ekspedisjonen. Bernacchi avslo imidlertid deltakelse på den sjebnesvangre ekspedisjonen på grunn av familianliggender.