Den 28. og 29. november 1929 var han førsteflyver ombord på flyet «Floyd Bennett», en Ford Trimotor, som tok Richard E. Byrd til Sydpolen. Dette var første gang Sydpolen ble overfløyet. Balchen hadde på oppdrag av Byrd søkt råd av den norske polfareren Roald Amundsen i forkant av ekspedisjonen. Byrd valgte å følge mange av rådene til Amundsen, bl.a. fløy Balchen og Byrd Amundsens rute frem til polpunktet. Flyturen over Sydpolen og tilbake til basen tok 18 timer og 40 minutter. Til sammenligning hadde Amundsen brukt 99 dager med ski og hundesleder i 1911.