В конце 1921 г. контрреволюционное сопротивление на полуострове было сломлено. Некоторое время герой Гражданской войны работал в Крымчека, потом стал секретарем Реввоенсовета Черноморского флота, а в 1922 г. был направлен в Москву, где работал на различных ответственных должностях. Параллельно он закончил Высшие курсы связи и некоторое время проучился в Плановой академии Госплана СССР. Самозабвенно занимался Папанин и самообразованием. Значительное место в читаемой им литературе уже тогда занимали книги об арктических путешествиях, будоражившие умы многих людей того времени.
Осенью 1925 г. началась «северная повесть» жизни Папанина. Его направили в Якутию заместителем начальника строительства радиостанции в Томмоте, расположенном на берегу Алдана, правого притока Лены. Небольшой отряд строителей, в котором была и жена Папанина, Галина Кирилловна, в полной мере изведал тяготы путешествия в суровых якутских условиях. Путники страдали от голода и холода, шли по глубокому снегу пешком, так как большинство лошадей пало, отстреливались от бандитов. Несмотря на это, Иван Дмитриевич «заболел» Севером и с этих пор мечтал получить работу именно там. Но подходящий случай представился только в 1931 г.
Летом этого года в южной части Земли Франца-Иосифа должен был совершить посадку немецкий дирижабль «Граф Цеппелин». По существующей договоренности с Германией к этому моменту к архипелагу должен был подойти советский ледокол «Малыгин» для обмена почтой. На ледоколе было организовано небольшое почтово-телеграфное отделение, которым командовал Папанин. Во время этой экспедиции он твердо решил перебраться в Арктику и уже через год вернулся на Землю Франца-Иосифа в качестве начальника полярной станции (обсерватории) в бухте Тихая (о. Гукера), которую еще следовало организовать. В этот суровый край, где было нелегко даже крепким физически мужчинам, он взял Галину Кирилловну. Хрупкая женщина стала здесь библиотекарем и помогала вести метеорологические наблюдения.
Надо думать, что Ивану Дмитриевичу, который, в сущности, не имел никакого серьезного образования, было сложно возглавлять научный коллектив. Однако он быстро понял главные задачи станции и не вмешивался в работу ученых, стараясь обеспечить им нормальные условия труда и отдыха. Благодаря усилиям начальника станция быстро наладила работу, а позже продолжала постоянно увеличивать объемы наблюдений, расширяя свое влияние на близлежащие территории.
Природная житейская мудрость и доброта позволяли Ивану Дмитриевичу успешно решать многие серьезные проблемы. Некоторые случаи носили несколько курьезный характер. В первую зимовку поваром на станции оказался молодой человек, уехавший из дома, чтобы он и жена смогли проверить свои чувства. Спустя некоторое время жена прислала мужу телеграмму, в которой сообщала, что их пути должны разойтись. Радист показал телеграмму Папанину. Представив себе, что из-за сердечных проблем повара полярники всю зиму будут питаться кое-как, он велел уничтожить телеграмму, а вместо нее набрать другой текст, с уверениями в горячей любви и надеждой на встречу. Повар был в восторге и на этот раз накормил зимовщиков огромными и вкуснейшими котлетами. Так продолжалось много раз, пока наконец жена поняла, что любит мужа, и сообщила ему об этом.
Закончив работу на Земле Франца-Иосифа, Папанин вернулся в Москву и вскоре был направлен на мыс Челюскин. Здесь, на самой северной точке материка, нужно было построить еще одну полярную станцию, что и было успешно выполнено. Сюда Иван Дмитриевич постарался забрать своих товарищей по зимовке на Земле Франца-Иосифа. Вместе с ним вновь приехала и Галина Кирилловна.
Очень бережно относясь к здоровью подчиненных, Папанин, однако, совсем не берег себя. Во время строительства он выполнял самые тяжелые работы. Рассказывают, что, провалившись в полынью, он спокойно выливал воду из валенок и продолжал работать, не заботясь о том, что может отморозить ноги.
В августе 1935 г. работы на станции были закончены. Зимовщики благополучно вернулись в Москву. Здесь Иван Дмитриевич за проделанную работу по строительству станции и организации научных исследований был награжден легковой машиной. К 40-летию друзья-полярники прислали ему телеграмму: «…коллектив приветствует тебя, нашего начальника, сумевшего по-большевистски преодолеть трудности похода, выгрузки и строительства станции. Прекрасные условия зимовки, созданные здесь для развития научной и оперативной работы, обязаны твоей инициативе, энергии и заботливости о деле и людях… Мы надеемся, что еще не один форпост полярного бассейна будет создан и освоен под твоим руководством». Эти слова оказались пророческими.