1897–1899-ben részt vett Adrien de Gerlache expedíciójában mint első tiszt. Belgica nevű hajójuk volt az első olyan jármű, amely áttelelt az Antarktiszon, mivel belefagyott a Bellingshausen-tengerbe.

Velük tartott egy amerikai orvos, Frederick Cook is, aki az egész legénységet megóvta a skorbuttól. Ez életre szóló tanulság volt Amundsen számára.

Ő vezette azt az 1903-ban indult expedíciót, amelyen először sikerült végighajózni az Atlanti-óceánról a Csendes-óceánra az Északnyugati átjárón. Gjøa nevű, 50 tonnás hajójával heten indultak útnak, és a Baffin-öböltől Franklinék útját követték. A Vilmos király-szigetet keletről kerülték meg, és eközben hosszabb időre megálltak, hogy méréseket végezzenek az északi mágneses sark környékén. Eközben megismerkedtek az eszkimókkal és életmódjukkal; megtanulták, hogyan élhetnek meg a tundrán és a jégvilágban. 1905-ben indultak tovább, és ahogy kiértek a Kanadai-szigetvilágból, hajójuk a nyugati hosszúság 138°-nál befagyott. 1906-ban érkeztek meg Alaszka partjaihoz úgy, hogy a feladatot hatan teljesítették (Amundsen, Lindström, Gustav Juel Wiik, Ristvedt, Godfred Hansen, Helmer Hanssen).

Az Északnyugati átjáró után az Északi-sark kezdte foglalkoztatni. Nansen sodródását kívánta megismételni, ezért megvásárolta és felújíttatta annak Fram („Előre”) nevű hajóját. 1910-ben már készen álltak az indulásra, amikor megérkezett a hír egyrészt, hogy Robert Peary és Frederick Cook 1909-ben elérte a sarkot, másrészt, hogy Robert Falcon Scott délsarki expedíciót szervez. Ezeket megtudva Amundsen megváltoztatta terveit. Látszólag az Északi-sark felé indult, de testvérének, Leonnak és a Fram tisztjeinek elárulta, hogy valójában immár a Déli-sark meghódítására tör. Attól félt, hogy Nansen nem engedélyezné a Fram használatát, ha ezt megtudná – emellett a vetélytársának tekintett Scottot sem akarta értesíteni. A legénységgel csak akkor közölte az új célt, amikor elérték Madeirát. Mindenki egyetértett az új úticéllal.

1911. január 14-én, a Bálna-öböl néven ismert helyen érték el a selfjeget; Amundsen itt építette ki a Framheimnak, azaz a Fram otthonának nevezett bázisát. Ez a pont 60 mérfölddel (tmf, vagyis 110 km-rel) volt közelebb a pólushoz, mint McMurdo, ahol a rivális brit expedíció partot ért. Scott viszont az Ernest Shackleton által felfedezett úton haladhatott a Beardmore-gleccserig, Amundsennek pedig találnia kellett egy, a Transzantarktiszi-hegyvidéken átvezető utat a pólusig.