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.