Еще студентом молодой человек принял участие в исследовательской экспедиции. По совету одного из профессоров 11 марта 1883 г. он отправился на промысловом зверобойном судне «Викинг» в Арктику для изучения тюленей и побывал в районе о. Ян-Майен, у берегов Исландии и Гренландии. Во льдах Нансен чувствовал себя как дома, он с увлечением охотился на тюленей и медведей, поражая своими способностями даже бывалых промысловиков. Мало кто из них отважился бы, как Нансен, в погоне за медведем прыгнуть в ледяную воду, а потом еще час в мокрой одежде преследовать зверя.
Но не только охотой занимался ученый на «Викинге». Помимо изучения тюленей, он крайне заинтересовался направлением движения льдов и понял, что оно зависит от морских течений, а не от направления ветра. В будущем это сослужило ему хорошую службу.
Арктика произвела на Нансена неизгладимое впечатление. «Я чувствовал, что стою на пороге нового мира», – записал он в дневнике. Молодой человек любовался северным сиянием, бескрайними ледяными просторами, слушал шорох льдов – странный звук, который нигде, кроме приполярных областей, невозможно услышать. Особенно увлекла его Гренландия. «Викинг», зажатый льдами, 24 дня дрейфовал вдоль ее побережья. Нансен рвался на берег, но капитан категорически запретил идти к земле по дрейфующему льду. Пришлось подчиниться, однако сердце Фритьофа загорелось неудержимым стремлением исследовать огромный таинственный остров, о внутренних районах которого в то время практически ничего не было известно.
Нансен решил совершить небывалое – пересечь Гренландию с востока на запад и побывать на ее ледяном куполе. Однако по возвращении из экспедиции ученому пришлось заняться кабинетной работой: его назначили хранителем Бергенского зоологического музея. Но мысль о Гренландии не оставляла Нансена; своим девизом он избрал слова: «Западное побережье Гренландии или смерть!» – и начал искать средства для финансирования экспедиции. За поддержкой он обратился к Норденшельду и сумел заинтересовать своим планом самого знаменитого из арктических исследователей того времени. Покоритель северо-восточного прохода отнесся к идее скептически, но сам молодой человек произвел на него сильное впечатление – такой мог бы осуществить даже безумный план.
Нансен просил всего 5 тыс. крон, но правительство отказало ему, считая грехом «содействовать намеренному самоубийству». Необходимые деньги дал из своих средств датский ученый А. Гамель, уверенный в успехе предприятия.
Готовясь к экспедиции, Нансен усовершенствовал оборудование, которое обычно бралось в полярные экспедиции, и изобрел ряд приспособлений, которые позже стали называть его именем. Это были «сани Нансена», сделанные без единого гвоздя: отдельные части связывались ремнями, что придавало саням гибкость и облегчало ремонт. Печка со спиртовой горелкой («нансеновский примус») была сконструирована так, чтобы потреблять как можно меньше топлива. В сапоги из оленьих шкур были положены специальные прокладки из александрийского листа, способного поглощать влагу и, таким образом, предохранять ноги от обморожения. Закончив подготовку, Нансен отправился в плавание с охотниками на тюленей, ознакомился с ледовой обстановкой на восточном побережье Гренландии и только после этого решил, что пора отправляться в путь.
Летом 1888 г. на корабле «Ясон» Нансен с пятью спутниками отправился к восточному побережью Гренландии. Экспедиция должна была выйти в путь из Сермилик-фьорда, несколько западнее г. Ангмагссалик. Однако к берегу ближе чем на 18–20 км подойти было невозможно. Пришлось покинуть судно и на лодках, лавируя среди льдин, добираться до суши. Две недели продолжалось это чрезвычайно опасное путешествие среди льдов, которые ежеминутно грозили раздавить или перевернуть хрупкие суденышки. Кроме того, дрейфующий лед отклонил курс экспедиции. Высадиться смогли только у Умивик-фьорда, значительно южнее намеченного пункта. Тогда Нансен решил не терять времени на переход до Сермилик-фьорда, и 15 августа экспедиция начала подъем на ледник.
Сначала шли на нартах, а затем – на лыжах. Первые 12 дней из-за непогоды двигались очень медленно. Все время перехода температура держалась ниже —40 °С. Мучила жажда, ведь лед нужно было растапливать, а керосин следовало беречь для обогрева палатки и приготовления пищи. Иногда в день удавалось преодолеть не более 8—10 км, а однажды из-за пурги пришлось несколько дней провести в палатке. И все же 26 сентября Нансен и его товарищи закончили пересечение Гренландии. Для этого им понадобилось 40 дней. 3 октября 1888 г., преодолев еще 100 км водного пути на самодельной лодке, путешественники прибыли в Готхоб, впервые в истории осуществив пересечение ледяного купола Гренландии, высота которого достигала 2700 м над уровнем моря. В Готхобе путешественники прожили до лета следующего года. Навигация была закончена, и плыть домой было не на чем.