Ofertę tę przyjął, lecz uzyskał zaledwie rok urlopu w pracy i zamierzał uczestniczyć w wyprawie tylko do momentu, w którym "Fram" dotrze do San Francisco. Na krótko przed odpłynięciem z Madery dowiedział się jednak o tym, że prawdziwym celem ekspedycji jest biegun południowy, a nie północnyAmundsen zmienił plany podróży na kilka miesięcy przed wypłynięciem z Norwegii, lecz początkowo poinformował o tym wyłącznie swego brata, Leona, i pierwszego oficera, Thorvalda Nilsena.. Zapytany o to, czy nadal chce uczestniczyć w ekspedycji, odpowiedział wówczas twierdząco.
Po dopłynięciu "Frama" na Antarktydę został jedną z dziewięciu osób, które pozostały na zimę w bazie Framheim, podczas gdy reszta załogi wypłynęła w rejs po Oceanie Południowym. 19 października 1911 wyruszył na biegun południowy wraz z czterema towarzyszami: Amundsenem, Oscarem Wistingiem, Olavem Bjaalandem oraz Helmerem Hanssenem. 14 grudnia dotarł na biegun południowy, zaś 25 stycznia 1912 powrócił do bazy Framheim. Podobnie jak pozostali uczestnicy ekspedycji powrócił do Norwegii przez Hobart na Tasmanii oraz Buenos Aires.