Еще в 1901 году он отправляется на «Йоа» в плавание между Шпицбергеном и Гренландией. Попутно он выполняет для Нансена океанографические исследования в малоизученных в то время северных водах, и этими исследованиями Нансен остался очень доволен.

В 1903-1906 годах Амундсен прошел на «Йоа» Северо-западным проходом, чего никому не удавалось сделать в течение почти четырех столетий. Во время этого плавания Амундсен отводил исключительное место производству наблюдений в районе Северного магнитного полюса. Впервые произведенные там магнитные наблюдения были так обширны и полны, что ученым понадобилось целых двадцать лет, чтобы их обработать. Никогда до Амундсена наука не располагала столь обширными данными о явлениях земного магнетизма в районе Северного магнитного полюса.

Экспедиция Амундсена нанесла на карту новые острова и берега, например, острова Ховгарда в бухте Ля-Троб, острова Принцессы Ингеборг, острова Норденшельда. К северу от залива Маркэма была обследована группа островов, названных островами Королевского Географического Общества. Был положен на карту восточный берег Земли Виктории. В проливе Симпсона у острова Эда произведен промер глубин.

Помимо этого, по заданию Норвежского университета были собраны большие зоологические коллекции, а по поручению норвежских музеев – богатая коллекция из предметов эскимосского обихода. Орудия рыбной ловли, одежда, утварь, оружие и т.п. заполняли трюмы маленькой яхты, когда она возвращалась из своего плавания на «Йоа».

Во время похода к Южному полюсу научные изыскания не носили систематического характера, но метеорологические наблюдения производились неукоснительно. Кроме того, во время пребывания Амундсена на антарктическом материке «Фрам» был отправлен из Китовой бухты для ведения научных наблюдений в Южном Ледовитом океане.