Den norske Nordhavsekspedisjon 1876–78, som Sars planla og gjennomførte sammen med meteorologen Henrik Mohn, fikk grunnleggende betydning. Her påviste de en arktisk dyphavsdyreverden i Norskehavets dyp under 600 meter. Tidligere var det antatt at dyrelivet opphørte på et par hundre meters dyp og at dyphavet var som livløse ørkenområder.