Etter examen artium 1895 studerte Helland-Hansen medisin og fysikk ved Det Kongelige Frederiks Universitet, der han ble med nordlysforskeren Kristian Birkeland nordover og forfrøs flere fingre, som måtte amputeres. Etter hvert dreide interessen over på oseanografi, som han studerte i København under professor Martin Knudsen. I 1900 ble han tilsatt som hydrografisk assistent ved Norges fiskeristyrelse i Bergen, og innleda her et mangeårig samarbeid med Fridtjof Nansen, som var zoolog ved Bergen Museum. I åra 1900 til 1905 gjorde Helland-Hansen og Nansen flere tokt med det nybygde forskningsfartøyet «Michael Sars», først og fremst i Norskehavet, og i 1910 var han på Michael Sars-ekspedisjonen med John Murray (oseanograf) til Nord-Atlanteren.