Son plan est critiqué par de nombreuses autorités arctiques, mais il réussit. Le parlement norvégien finance les deux tiers des dépenses, le reste étant obtenu par souscription auprès du roi Oscar et de particuliers. Son navire, le « Fram » (c’est-à-dire « En Avant »), était spécialement construit pour être extrêmement solide et d’une forme particulière. Il était pointu à la proue et à la poupe et ses flancs étaient inclinés, de sorte que les glaces, en se pressant l’une contre l’autre, tendaient non pas à l’écraser, mais simplement à se glisser sous lui et à le soulever.
Il quitte Christiania le 24 juin 1893. Otto Sverdrup était le capitaine ; Sigurd Scott Hansen, un lieutenant de la marine norvégienne, était chargé des observations astronomiques et météorologiques ; Henrik Greve Blessing était médecin et botaniste ; et parmi les autres, Frederik Hjalmar Johansen, lieutenant de l’armée norvégienne, embarquait en tant que pompier. Le 22 septembre, le « Fram » fut amarré à un floe (gros glaçon) par 78° 50′ N., 133° 37′ E. ; peu après, il fut pris dans les glaces et la longue dérive commença.
Il supporta parfaitement la pression de la glace. Au cours du second hiver, 1894-1895, il fut décidé d’entreprendre au printemps une expédition à pied vers le nord à travers les glaces, et le 14 mars 1895, Nansen, convaincu que le « Fram » continuerait à dériver en toute sécurité, le laissa par 84° N., 101° 55′ E., et se mit en route vers le nord, accompagné de Johansen.
Le 8 avril, ils firent demi-tour à 86° 14′ N., la latitude la plus élevée atteinte alors par l’homme, et mirent le cap sur la Terre François-Joseph. Ils souffrirent de nombreuses difficultés, notamment d’un manque de nourriture, et furent contraints d’hiverner sur l’île Frederick Jackson (ainsi nommée par Nansen) en Terre François-Joseph du 26 août 1895 au 19 mai 1896. Ils n’étaient pas sûrs de l’endroit, mais après avoir atteint 80° N. sur la côte sud des îles, ils se dirigeaient vers l’ouest pour atteindre le Spitzberg, quand, le 17 juin 1896, ils tombèrent sur Frederick Jackson et son groupe de l’expédition Jackson-Harmsworth, et retournèrent en Norvège sur son navire, le « Windward », atteignant Vardö le 13 août. L’arrivée fut triomphale.
Une semaine plus tard, le « Fram » atteignit également la Norvège en toute sécurité. Il avait dérivé vers le nord après que Nansen l’eut quitté, jusqu’à 85° 57′, et était finalement revenu par la côte ouest du Spitzberg. Nansen reçoit un accueil sans précédent.