Прежние наблюдения убедили его в существовании сильного восточно-западного течения, которое должно было направляться от Сибири к Северному полюсу и далее к Гренландии. К этому выводу, в частности, ведет то, что были найдены остатки неудачной американской экспедиции на корабле «Жанетта» под командованием лейтенанта американского флота Джорджа Де Лонга. Эта экспедиция потерпела крушение в 1881 году к северо-востоку от Новосибирских островов, а предметы с нее были найдены у юго-западных берегов Гренландии. Норвежский метеоролог, профессор Г.Мон в 1884 году опубликовал статью, которая подтвердила догадки Нансена и стала основанием для экспедиции к полюсу.

Решив проверить свою теорию, Нансен разработал проект судна («Фрам»), достаточно прочного для того, чтобы выдержать ледовое сжатие. План заключался в плавании этого судна по Северо-восточному проходу к Новосибирским островам, где оно должно было вмерзнуть во льды. Команда должна была остаться на борту судна, пока оно дрейфовало бы вместе со льдами к Северному полюсу и проливам между Шпицбергеном и Гренландией.

План экспедиции вызвал резкую критику в Великобритании (был доложен на заседании Королевского географического общества в 1892 г.), но был поддержан норвежским парламентом, выделившим в 1890 и 1893 гг. субсидии на строительство судна в 250 тыс. крон, с обязательным условием — экспедиция будет иметь чисто норвежский национальный состав (Норвегия с 1814 по 1905 гг. была частью Швеции). Прочие расходы в 200 тыс. крон были покрыты национальной подпиской и субсидиями частных инвесторов, в том числе и зарубежных: О. Диксон поставил электрооборудование, а барон Э. Толль построил на Новосибирских островах эвакуационные базы на случай катастрофы, и передал Нансену 35 западносибирских ездовых собак. Одним из спонсоров экспедиции была пивоваренная фирма Эллефа Рингнеса, а также фирмы по производству пищевых концентратов «Кнорр» и шоколадная фирма Кедбери.

Экспедиция отправилась из Христиании 24 июня 1893 г., имея запас провизии на пять лет и топлива на шесть месяцев полного хода. На участие в экспедиции претендовало более 600 человек, в конечном итоге команда включала 13 человек:
Фритьоф Нансен — начальник экспедиции, зоолог, гидролог и океанолог.
Отто Нейман Свердруп — командир «Фрама», исполняющий обязанности начальника экспедиции с 14 марта 1895 г.
Сигурд Скотт-Хансен — помощник командира, старший лейтенант ВМФ Норвегии. В экспедиции был главным метеорологом, астрономом и специалистом по магнитным и гравитационным исследованиям.
Хенрик Греве Блессинг, кандидат медицины — врач, ветеринар и ботаник экспедиции.
Теодор Клаудиус Якобсен — штурман «Фрама». Штурман норвежского и новозеландского флотов.
Антон Амундсен — старший машинист «Фрама». Машинист ВМФ Норвегии.
Адольф Юэлл — провиантмейстер и кок экспедиции. С 1879 г. служил штурманом норвежского флота.
Ларс Петерссен — второй машинист и кузнец экспедиции. Служил в норвежском флоте. С 1895 г. исполнял также обязанности кока и метеоролога.
Фредерик Яльмар Йохансен — кочегар и метеоролог. Лейтенант норвежской армии.
Педер Леонар Хендриксен — матрос и гарпунщик. Шкипер норвежского флота, принимал участие в экспедиции Свердрупа в 1898—1902 гг.
Бернар Нурдал — кочегар, электрик и матрос. Исполнял также обязанности метеоролога. Унтер-офицер Норвежского ВМФ.
Ивар Отто Иргенс Мугстадт — матрос, каюр и часовщик. До экспедиции сменил множество профессий, включая лесника и надзирателя психиатрической лечебницы.
Бернт Бентсен — матрос. С 1890 г. служил штурманом арктического промыслового флота Норвегии. Вошёл в состав экспедиции за полчаса до отплытия из Тромсё. Погиб во время экспедиции на Шпицберген в 1899 г.

«Фрам» проследовал вдоль северного побережья Сибири. Не доходя до Новосибирских островов около 100 миль, Нансен изменил курс на более северный. К 22 сентября, достигнув 79º с.ш. , «Фрам» прочно вмерз в паковый лед. Нансен и его команда приготовились к дрейфу на запад, к Гренландии.

Дрейф «Фрама» прошел не так близко к полюсу, как надеялся Нансен. Он решил предпринять попытку броска к полюсу, взяв с собой одного из самых сильных и выносливых участников экспедиции, Ялмара Йохансена. 14 марта 1895 года Нансен в сопровождении Йохансена покинул корабль, который в это время находился на северной широте 84°05' и восточной долготе 101°35'. Их попытка не увенчалась успехом. Условия оказались сложнее, чем предполагалось — им часто преграждали путь ледовые торосы или участки открытой воды, что создавало препятствия. Наконец, достигнув 86º14’ с.ш., они решили повернуть назад, и отправились к Земле Франца-Иосифа. Нансен и Йохансен не достигли полюса, но они подошли к нему ближе, чем все предыдущие путешественники.

Через три месяца Нансену и Йохансену удалось добраться до Земли Франца-Иосифа, где они зазимовали в выстроенной ими из шкур моржей и камней землянке (28 сентября 1895 — 19 мая 1896 гг.). Эта зимовка Нансена, во время которой он вел жизнь настоящего Робинзона, является ярким примером того, как мужество и умение приспособляться к суровым условиям Арктики позволяют человеку выйти победителем даже в исключительно тяжелых обстоятельствах.
 

Летом 1896 года Нансен неожиданно встретился на Земле Франца-Иосифа с английской экспедицией Джексона, на судне которой «Windward» он и вернулся 13 августа в Вардё, пробыв в Арктике три года. Ровно через неделю в Норвегию вернулся и «Фрам», блестяще закончивший свой исторический дрейф. Теория Нансена подтвердилась — судно следовало по течению, о существовании которого он предполагал. Кроме того, экспедиция собрала ценные данные о течениях, ветрах и температурах и уверенно доказала, что с евроазиатской стороны в приполярном районе не суша, а глубокий, покрытый льдом, океан. Особое значение путешествие «Фрама» имело для молодой науки океанологии. Для Нансена это ознаменовало существенный поворот в его деятельности. Океанография стала основным предметом его исследований.
 


Несколько лет Нансен занимался обработкой результатов экспедиции и написал несколько работ, включая популярное описание экспедиции в двух томах Fram over Polhavet. Den norske polarfærd 1893—1896 (1897). Эта книга немедленно была переведена на немецкий, английский и русский языки, но выходила под разными названиями: In Nacht und Eis: Die norwegische Polarexpedition 1893-96 («В ночи и льду: норвежская полярная экспедиция 1893—1896 гг.») Farthest North («Дальше на север»). Русские дореволюционные переводы обычно назывались «В стране льда и ночи» (1898, 1902), а переводы советского времени — «Фрам» в Полярном море" (1940, 1956, переизд. 2007).