冰山和浮冰虽然给极地探险队带来严重的威胁，却挡不住人类探索极地的决心。尽管1881年，美国的乔治·华盛顿·德郎探险队，试图随浮冰块往北漂流，以达到北极或其周围的陆地的探险以失败而告终；美国的另一支格利里探险队也因指挥不当在冰天雪地中得不到救济，成为19世纪北极探险史上第三个遭遇不幸的队伍。挪威南森博士领导的“先锋”探险队却依然勇闯北极，最终取得了巨大的成就，南森成为深入北极心脏地区的第一人。
南森回顾过去别人北极探险的教训，他很庆幸能具有10年前那些不幸的探险家们所不具有的许多知识，尤其是第一届国际地球极年为北极的经验知识提供了大量气象方面的数据。他认为，格利里探险队的经验教训表明：一支探险队伍应该要能自足，不应依赖外部的援助。而德朗探险队乘坐的“珍妮特号”的传奇，以事实驳斥了有北极大陆存在的学说。这些根本性的资料表明，冰块围绕北极地区的各个海洋领域进行大环流运动的速度是有多快的。因此，南森给自己定下了雄心勃勃的目标是：有计划地把船牢牢地冻入浮冰块中，随着它漂流到高纬度或漂到北极去。
南森是非常善于思考的，他的计划的建立，是在他掌握许多事实和现象的分析基础上提出的。首先，他知道西伯利亚的浮木可以被冲击到格陵兰岛的海域；其次，他还知道受到冰冻的“珍妮特号”就是向北漂流的；再次，就是听到“珍妮特号”被冰块挤碎之后3年；在北极盆地的另一侧的格陵兰的西南岸，发现了该船的部分残骸。南森分析道，既然残骸冻结在流动的浮冰块中，能从亚洲的这面漂流到大西洋那面绕北极转一圈，为什么不能让设计得很好的船也那么随冰块漂一圈呢？
1890年，南森向挪威地理学会提出了他的大胆的、创造性的计划，将船冻结在浮冰上，随浮冰一起漂过北极。为此，他还建议，建造一只特别的船只，船头和船尾设计成尖形的，两侧是斜形的，这样，就可经受住浮冰的压力。
南森的计划提出后，遭到许多著名的探险家的反对，说这是一个狂妄的计划。一些英国的著名北极探险家认为，无论船只设计得怎样坚固，也抵挡不住北极浮冰的压力。而另一些北极探险家认为，一旦船只被冻结在浮冰上，就会完全失去自由，欲进不能，欲退无路，那就永远回不来了。事实上，以前的探险船只正是为浮冰所困才多有丧生事件的发生，因而这个计划，确实是有很大的风险的。面对着种种反对意见，认真思考后，南森不仅没有灰心动摇，反而对这次北极之行充满了必胜的信心。
1893年6月24日，南森一行13人，备足了5年的粮食，乘坐由南森亲自参加设计和装备的“弗拉姆号”，离开挪威，驶向新西伯利亚群岛以西的地方。“弗拉姆号”的船体设计的形状，像个西瓜那样，当加在船体上的压力变得太大时，它就将被挤到冰块上，而当压力减少时，它又会再往下回降。
浮冰从四面八方涌来，南森把“弗拉姆号”深深地冲入浮冰块内，直至无法再前进为止。1893年9月25日，当太阳降落到地平线后，“弗拉姆号”已被浮冰冻结。正如想象的那样，冰块把船体托起来，就这样平稳地漂泊。在这人迹渺茫的冰天雪地之中，孤独地生活，难免令人紧张、充满恐惧，毕竟船只生活在浮冰上是一种冒险性的尝试。漂流初期，船只时而漂向东方，时而漂向南方。到10月末，几乎又回到了原地。漂流路线很曲折，前进速度很缓慢。关于这一点，是出乎南森意料之外的。但“弗拉姆号”毕竟经受住了巨大冰压的考验，这真是一个巨大的成功。
1893年圣诞节前夕，南森根据恒星确定了自己的船位后，才知道3个月的时间才漂流了60千米，并且正向着东南方向而不是预期的北方前进，不免担忧起来。正在这时，大自然帮了他们的忙，一阵强劲的东南风，把船向西北方向吹去。狂风不停地向他们袭来，浮冰不停地向他们冲击，可奇特的“弗拉姆号”始终巍然不动。船员们的衣服破碎了，身体疲乏了，但他们仍然充满乐观的精神和坚强的信念。在四周死一般的沉寂里，借着皎洁的月光和绚丽多姿的极光所带来的一点光亮，他们观看着孤舟周围暗淡的景色，唱着、跳着，吃着鱼肉、布丁，举杯共庆1894年圣诞节的到来，预祝即将到达北极极顶的胜利。
1895年3月14日，南森一行漂流到离北极极顶只有500多千米的地方，再也无法前进了，无边无际的冰原一直伸向远方。根据漂流路线，南森分析后认为，“弗拉姆号”到达北极极顶已不可能，但若从这里乘狗拉雪橇前往北极极顶，只要50天便可到达，为什么不能作一次冰上旅行呢？于是，南森决定了一个大胆的计划：他把船交给船长沃·斯维尔德洛普指挥，自己则与炊事员约翰逊二人带着狗、雪橇、爱斯基摩人用的皮船两条，以及足够100天用的粮食，向北极极顶进发。
然而，道路是极不平坦的，他们遇到了像岩石一样巨大的冰块重重叠叠，冰面高低不平，且不时为冰湖所阻，他们像蜗牛般地向前行进。他们并不是不能再走快些，只是若不探索着前进，随时都有掉进冰缝、坠入海中的危险。有一次，两个人站在迅速裂开的冰块两边，约翰逊不小心掉入冰水中，南森惊慌万分，但又拉不着他，只得绕过很远一段冰区，才来到已经冻僵了的同伴身边，把他救了出来。
不管道路怎样艰辛，两个人仍然毫不畏缩地向前。当他们走到离极项只有360多千米时，冰凌垒垒的沼泽和一片汪洋挡住了去路。两位勇敢的探险家也已疲惫不堪，不得已，只好于4月8日返回。但他们已比所有的北极探险家走得更北，超过前人270多千米，是深入北极心脏地区的第一人。
这时，他们与“弗拉姆号”已经失去联系，于是，他们艰难地前进，于1895年8月到达法兰士约瑟夫群岛，期望在那里找到一个过冬的场所。
两个人互相鼓励着前进。一天，当走到大群浮冰边沿时，突然一只北极熊从他们身后追来。南森回头看时，凶猛的北极熊正伸出锋利的脚爪向他扑来。他机敏地向旁边一闪，北极熊扑了个空。约翰逊趁机向北极熊射击，才解除了一场灾难。冰和水的航路交替地出现，航行非常困难，当他们到达目的地时，北极的冬季降临了，两人只得寻找一个石穴，更加孤寂地在冰天雪地里度过又一个极地漫长的夜。
他们凭着坚强的毅力，迎来了次年春天的来临。于是，两个人又欣喜地上路了。他们时而在冰原上驾着雪橇驰骋，时而乘獭皮船在冰海中漂流，艰苦是不难想象的。有一次，正当他们划着獭皮船前进时，一只海象突然从水中钻出来，把船推翻了，幸而两个人动作迅速，爬上了冰块，才免于灭顶之灾。这晚，两个人只得在冰块上宿营。
正当他俩十分困难的时候，1896年6月，他们喜出望外地在该岛的南端遇到了英国探险家杰克逊。搭乘他们的船只返回挪威，那是1896年8月15日，他们离开祖国已3年又两个月了。
说来也巧，“弗拉姆号”自南森离船后，继续随冰漂流。后来，终于摆脱了冰的束缚，在南森之后一星期也回到了挪威。
南森之行的探险的结果固然辉煌，但他较之先辈们更胜一筹的是，还进行了深入的科学考察，获取了大量的科学资料。他首先证明了北极并不是一块巨大的陆地，而是充满冰雪的海洋。在这辽阔的海洋世界里，有一条横越而过的海流存在。其次，他对北冰洋的深度进行了测量，更正了在此之前人们的错误看法，即北极地区不是浅水域，而是一个深海盆。再次，他们发现北冰洋一个有趣的水温反常现象：表面(0～100米)为冷水层，水温冷达零下摄氏2度；但在以下300～400米处温度反而升高到零上2度。此外，还有一个重要的发现就是：冰块的浮流与风向有关，冰的浮流方向偏向风的右侧，这与地球自转偏向力有关。