Огромная работа, проведенная советскими полярниками для освоения и обслуживания Северного морского пути в первые 20 лет Советской власти, все еще была недостаточна. Следовало расширить наши знания о главном препятствии на этом пути — о льдах.
Так как режим льдов северных советских морей, широко открытых в сторону Арктического бассейна, тесно связан с режимом этого бассейна, то первоочередной задачей стало изучение метеорологических условий, морских течений и льдов в самом центре Арктики.
Для этого Советское правительство решило организовать в 1937 г. гидрометеорологическую станцию на льдине в районе Северного полюса. Для облегчения доставки туда грузов на о. Рудольфа была устроена самолетная база. П. Г. Головин, первый советский летчик, пролетавший над полюсом, установил возможность посадки на лед тяжелых машин в этом районе.
21 мая 1937 г. самолет, имевший на борту четырех участников экспедиции — начальника Ивана Дмитриевича Папанина, опытного полярника-радиста Эрнста Теодоровича Кренкеля, гидробиолога и океанолога Петра Петровича Ширшова, астронома и магнитолога Евгения Константиновича Федорова, благополучно сел на ледяное поле площадью 4 км2 у 89°26' с. ш., 78° з. д. В тот же день первая в мире научно-исследовательская лаборатория на Северном полюсе начала работу. Очень скоро выяснилось, что льды дрейфуют в сторону Гренландского моря. Станция «Северный полюс» («СП-1») превратилась в дрейфующую, за 274 дня прошедшую более 2500 км от полюса до берега Гренландии, причем огромное ледяное поле сократилось до размеров небольшой льдины площадью менее 500 м2. 19 февраля 1938 г. у 70°54' с. ш., 19°48' з. д. ледокольные пароходы «Таймыр» и «Мурман» сняли зимовщиков вместе с приборами. За время этого беспримерного дрейфа папанинцы, непрерывно работая по 10—14 часов в сутки в тяжелых условиях, собрали исключительно ценные, совершенно новые материалы о природе Центральной Арктики.
«Экспедицией установлено, что по пути дрейфа станции никаких земель нет; изучен рельеф дна на всем протяжении дрейфа; установлено, что теплые атлантические воды глубинным течением проникают из Гренландского моря к самому полюсу; опровергнуты предположения о почти полной безжизненности приполюсного района; впервые изучено движение верхних слоев воды (толщиной до 200 м) под действием ветра: метеорологические наблюдения разрушили прежние представления о строении и циркуляции атмосферы в приполюсных пространствах...» (Н. Н. Зубов). Кроме того, исследователи установили характер льдов Центральной Арктики и закономерности их движения; определили величину магнитного склонения у полюса и по линии дрейфа; открыли поднятие дна, в то время считавшееся западной частью «порога Нансена».
По возвращении на родину всем четырем участникам присвоено звание Героя Советского Союза, каждому присуждена степень доктора географических наук.