Fra 1901 til 1904 ledet han den svenske antarktisekspedisjonen med fartøyet «Antarctic». Ekspedisjonen besølte Falklandsøyene før skipet, under kommando av kaptein Carl Anton Larsen, satte av Nordensjölds gruppe på Snow Hill Island, en liten øy utenfor kysten av Antarktishalvøya. Nordenskjöld overvintret på øya mens «Antarctic» returnerte til Falklandsøyene. Neste sommer seilte Larsen sørover igjen for å plukke opp Nordenskjölds menn, men fartøyet frøs fast og knust av isen. Besetningen var derfor nødtvunget til å overvintre i en enkel steinhytte som de oppførte på Pauletøya. Larsen og Nordenskjöld møttes igjen omsider i Hope Bay sent i 1903, der de ble plukket opp av den argentinske korvetten ARA «Uruguay» som hadde blitt sendt til unnsetning da «Antarctic» ikke hadde vendt tilbake til Sør-Amerika året før. Til tross for de store problemene underveis, ble ekspedisjonen ansett som en vitenskapelig suksess. Ekspedisjonen hadde utforsket store deler av Graham Lands østkyst og bragte med seg verdifulle geologiske prøver og sjødyr. Nordenskjöld oppnådde varig berømmelse hjemme, men de store utgiftene etterlot ham svært gjeldstynget.