Управлять судном Амундсен уже умел, а потому начал обдумывать свою собственную арктическую экспедицию, нацеленную на поиски Северо-Западного прохода через Северо-Американский континент, – путь, который искали многие. Он ясно осознавал, что должная финансовая поддержка ему будет оказана лишь в том случае, если его экспедиция будет преследовать научные цели. По мнению Амундсена, северный магнитный полюс Земли вполне для этого подходил. Поэтому Амундсен едет в Гамбург изучать земной магнетизм.
Для своей экспедиции Руаль Амундсен выбрал корабль «Йоа» ("Gjoa"). В июне 1903 г. "Gjoa" покинула Кристианию. Амундсен пересек Атлантический океан, обогнул западную часть Гренландии, вошел в море Баффина, и, далее, в пролив Ланкастера. Здесь началось медленное движение вперед, через лабиринт островов канадского побережья. Плавучие льдины, сильные ветры, туман и мелководье постоянно угрожали судну, но к концу лета экспедиция нашла естественную гавань на острове Короля Вильяма. Преимуществом местонахождения объекта экспедиции, служила близость северного магнитного полюса. Это давало шанс произвести очень точные научные наблюдения. В течение двух лет Амундсен с компаньонами оставался в гавани, которую они назвали "Gjoahavn". Там были построены наблюдательные пункты, оборудованные точными измерительными приборами. Результаты исследований дали большую работу многим ученым еще на 20 лет вперед. Амундсен перенял у эскимосов управление собачьими упряжками. Он тщательно изучил одежду, пищу, быт эскимосов, сохраняя все это в своей памяти.
В августе 1905 г. научная работа закончилась и "Gjoa" продолжила свой западный путь через туманы и льды. Путь, по которому проходило судно, был настолько мелководен, что однажды расстояние между килем и дном составляло не более одного дюйма. Амундсен с командой осознавал, что скоро они будут плыть по водам, известным мореплавателям Аляски! Через три месяца напряжения и томительного ожидания экспедиция обнаружила на горизонте корабль, отплывший из Сан-Франциско. "Gjoa" стало первым судном, проделавшим этот чрезвычайно опасный вояж. Но вскоре после этого оно вмерзло в лед, где оставалось всю зиму.
Стремясь сообщить миру о достижении экспедиции, Амундсен вместе с американским компаньоном в октябре отправляется в 500-мильное путешествие в Игл-Сити на Аляску, где находилось ближайшее телеграфное отделение. Этот нелегкий путь он проделал на собачьих упряжках, и, перевалив через горы почти 3-километровой высоты, 5 декабря добрался до города, откуда возвестил миру о своем подвиге.
Теперь признанный миром исследователь Р. Амундсен был занят чтением лекций и сбором средств на самый дерзкий полярный проект – покорение Северного полюса. Его имя, ставшее известным далеко за пределами Норвегии, быстро помогло Амундсену привлечь необходимый капитал. План исследователя заключался в том, чтобы добраться до Северного полюса на корабле, вмороженном в лед. Необходимое для этого судно уже было построено. Амундсен завязал отношения с Фритьофом Нансеном и попросил его предоставить для мероприятия «Фрам», на котором Нансен с командой провели 3 года (1893-1896 гг.), дрейфуя со льдами к Северному полюсу. У Нансена были свои собственные планы по отношению к Северному полюсу, но щедрость его была такова, что он согласился помочь.
Однако планы Амундсена разрушились, когда в апреле 1909 г. пришло известие о том, что американец Роберт Пири достиг Северного полюса. Амундсен мгновенно меняет цель своей экспедиции. Приготовления продолжаются, но место назначения изменяется на Южный полюс. В то время всем было известно, что англичанин Роберт Фалкон Скотт также готовился к своей второй попытке открыть Южный полюс. Амундсен, ведомый своими амбициями быть первым, решил попасть туда раньше него. Однако цель предстоящей экспедиции норвежский полярник тщательно скрывал. О ней не было известно даже норвежскому правительству, так как Амундсен опасался, что ему будет запрещено отправиться к Южному полюсу. Это обусловливалось тем, что Норвегия была экономически, а, главное, политически зависима от Великобритании. Чтобы не спровоцировать политический кризис, норвежский Стортинг мог учинить препятствия для Амундсена. О том, что Руаль Амундсен также готовится совершить рывок к Южному полюсу, мир узнал лишь тогда, когда «Фрам» достиг острова Мадейра (недалеко от Канарских островов). Телеграмма Амундсена настигла экспедицию Скотта, когда тот покидал Новую Зеландию.
В январе 1911 г. «Фрам» бросил якорь в Китовой бухте. Это место было тщательно выбрано Амундсеном из-за своего расположения: оно находилось на 60 миль ближе к полюсу, чем база Скотта на мысе Эванс. В течение февраля и марта были размещены семь складов по маршруту, который предстояло проделать. Чрезвычайно практичный, Амундсен решил помечать путь вяленой рыбой, которая могла служить и пищей в случае необходимости.