Viaja posteriormente pelas regiões árticas, com o objetivo de chegar ao Pólo Norte, o que ninguém até então havia conseguido. Seus planos são alterados em 1909, com a notícia de que Robert Peary, engenheiro civil da Marinha americana, já havia alcançado esse ponto.
Seu novo destino é o Pólo Sul, para onde vai no ano seguinte. Inicia a travessia pelas geleiras em 19 de outubro de 1911 e, favorecido pelo tempo bom, chega ao Pólo em 14 de dezembro. Sua equipe volta a salvo à base em 25 de janeiro de 1912.
Seu rival, o explorador inglês Robert Falcon Scott, atinge o Pólo Sul em 17 de janeiro, mas ele e todos os companheiros morrem durante o retorno. Com o êxito, Amundsen decide ir até o Pólo Norte - o que sempre fora seu grande sonho - por via aérea.
Depois de uma tentativa frustrada de chegar lá de aeroplano, é bem-sucedido em 1926, dessa vez em um dirigível e acompanhado pelo piloto americano Lincoln Ellsworth e pelo italiano Umberto Nobile. Morre ao tentar resgatar Nobile após um acidente com um dirigível no oceano Ártico.