Следующей целью Амундсена было достижение Северного полюса. Когда появилось сообщение о том, что это совершил Роберт Пири, он решил достичь Южного полюса и 9 августа 1910 отправился в Антарктику на «Фраме» – знаменитом корабле Фритьофа Нансена. Британская экспедиция под руководством Роберта Ф.Скотта тоже пыталась добраться до Южного полюса. Амундсен тщательно подготовился: удачно выбрал маршрут, организовал систему складов с припасами и успешно использовал санные упряжки с собаками. С четырьмя спутниками достиг Южного полюса 14 декабря 1911 (Скотт с четырьмя спутниками дошел до полюса только 18 января 1912).

15 июля 1918 Амундсен отправился из Аляски на судне «Мод» Северо-Восточным путем, но ледовые условия помешали выполнению его замысла. Тогда Амундсен решил исследовать Арктику с воздуха. 11 мая 1926 Амундсен, американский исследователь Линкольн Элсуорт и итальянский инженер Умберто Нобиле стартовали со Шпицбергена на полужестком дирижабле «Норье» («Норвегия»), пролетели над Северным полюсом и через 71 час приземлились в Теллере на Аляске. 17 июня 1928 Амундсен вновь поднялся в воздух, чтобы найти экипаж дирижабля Нобиле, и погиб в Баренцевом море.