Русские поморы и землепроходцы уже в середине XVI века, используя притоки сибирских рек, совершали плавания в Северный Ледовитый океан и вдоль его берегов. В 1572 году на реке Таз в районе Обской губы они основали город, который быстро стал центром торговли пущниной, золотом, продуктами морского промысла – «златокипящую» Мангазею. В 1648 г. группа мореходов во главе с «торговым человеком» Федотом Поповым и казачьим атаманом Семеном Дежневым обошла на кочах (старинное поморское палубное одномачтовое парусно гребное судно) Чукотский полуостров и вышла в Тихий океан, достигнув берегов Аляски.
В 1686–1688 гг. торговая экспедиция Ивана Толстоухова на трех кочах обошла морем с запада на восток Таймырский полуостров. В 1712 г. землепроходцы Меркурий Вагин и Яков Пермяков впервые посетили Большой Ляховский остров, положив начало открытию и исследованию всей группы Новосибирских островов.
В 1732 г. Михаил Гвоздёв и Иван Фёдоров на боте «Святой Гавриил», выйдя из Нижнекамчатского острога, также исследовали берега Аляски восточнее мыса, названного Витусом Берингом мысом Гвоздёва, а ныне носящего имя мыса Принца Уэльского.
В 1733–1742 гг. в водах Северного Ледовитого океана и на его побережье работала Великая Северная экспедиция. По существу, она объединила несколько экспедиций, в том числе – вторую Камчатскую экспедицию под руководством Витуса Беринга, которые выполнили огромный комплекс исследований северной территории Сибири: от устья Печоры и острова Вайгач до Чукотки, Командорских островов и Камчатки. Впервые были нанесены на карту берега Северного Ледовитого океана от Архангельска до устья Колымы, побережье острова Хонсю, Курильские острова. Более грандиозного географического предприятия в Арктике до этой экспедиции не было.
Исследованию северо-восточных окраин Российской земли посвятил всю свою жизнь Семён Челюскин. 10 лет (1733–1743 гг.) служил он во второй Камчатской экспедиции, в отрядах известных исследователей Василия Прончищева и Харитона Лаптева.
Весной 1741 г. Челюскин прошёл пешком по суше западного побережья Таймыра, произвел его описание. Зимой 1741–1742 гг. проехал и описал северное побережье Таймыра, где выявил северную оконечность Азии. Это открытие было увековечено через 100 лет, в 1843 г. северная оконечность Азии была названа мысом Челюскина.
В 1772 году началась история русской Аляски – на алеутском острове Уналащка было основано первое русское поселение.
Значительный вклад в изучение восточного участка Северного морского пути внесли русские мореплаватели Фердинанд Врангель и Федор Матюшкин (лицейский друг Александра Пушкина). В 1820–1824 гг. они обследовали и нанесли на карту материковый берег от устья Колымы до Колючинской губы и совершили в этом районе четыре беспримерных похода по дрейфующим льдам.
Вошел в историю как крупный исследователь Арктики и адмирал, граф Фёдор Литке. В 1821–1824 гг. Литке описал берега Новой Земли, сделал много географических определений мест по берегу Белого моря, исследовал глубины фарватера и опасных отмелей этого моря. Описал эту экспедицию в книге «Четырехкратное путешествие в Северный Ледовитый океан в 1821–1824 гг.».
В 1826 г. Литке на шлюпе «Сенявин» отправился в кругосветное плавание, продолжавшееся три года. По своим результатам это одна из наиболее успешных исследовательских экспедиций первой половины XIX столетия: в Беринговом море были определены важнейшие пункты берега Камчатки от Авачинской губы к северу; описаны до того неизвестные острова Карагинские, остров Матвея и берег Чукотской Земли; определены острова Прибылова; исследованы и описаны архипелаг Каролинский, острова Бонин-Сима и многие другие.
Совершенно новый этап в исследовании и транспортном освоении Северного Ледовитого океана связан с именем знаменитого русского мореплавателя адмирала Степана Макарова. По его идее в 1899 г. в Англии был построен первый в мире мощный ледокол «Ермак», который предполагалось использовать для регулярного сообщения с Обью и Енисеем через Карское море и для научных исследований океана до самых высоких широт.
Плодотворной по результатам была русская «Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана» 1910–1915 гг. на ледокольных пароходах «Таймыр» и «Вайгач». Базируясь во Владивостоке, она за три года выполнила детальную гидрографическую опись от мыса Дежнева до устья Лены и соорудила на побережье навигационные знаки. В 1913 г. перед экспедицией была поставлена задача – продолжить гидрографическую опись до Таймырского полуострова и при благоприятных условиях совершить сквозное плавание по Северному морскому пути до нынешнего Мурманска. Но мыс Челюскина оказался блокированным тяжелыми неизломанными льдами.