Em 1890, ao verificar que o gelo polar é impelido pela força das correntes, começa a construir o navio Fram, que não racha quando cercado pelas massas de gelo. Embarca em 24 junho de 1893, e três meses depois, preso no gelo, o navio avança ao sabor das correntes marítimas.
Em 8 de abril do ano seguinte, atinge a mais alta latitude ao norte até então alcançada pelo homem. Participa do Conselho Internacional para a Exploração do Mar e faz várias expedições marítimas ao mar Ártico. Preside a delegação norueguesa na primeira assembléia da Liga das Nações, em 1920, na qual recebe a missão de repatriar para a União Soviética mais de 500 mil russos prisioneiros de guerra.
Em 1921 participa do Comitê Internacional da Cruz Vermelha e, no ano seguinte, cria um cartão de identificação para expatriados, conhecido como passaporte de Nansen. Pelo trabalho de auxílio às vítimas da I Guerra Mundial, recebe o Prêmio Nobel da Paz de 1922. Morre em Lysaker, perto de Oslo.