Наконец «Викинг» вырвался из железных объятий льда и Нансен возвратился в Норвегию. По рекомендации профессора Коллета он получил место хранителя зоологического отдела в Бергенском музее, еще не сдав экзаменов. Бергенские ученые, обладавшие широтой взглядов, свободные от предрассудков, произвели большое впечатление на молодого человека. Здесь был доктор Армауэр Ханссен — ревностный последователь Дарвина, открывший возбудитель проказы — лепрозную палочку. Он познакомил Нансена с учением Дарвина о происхождении видов, и эта теория была полностью принята молодым натуралистом и философом, тесно связанным с жизнью природы — фауны и флоры. Теперь авторитет отцовских религиозных убеждений пал. Верой Нансена стали вселенная и вечная природа.

Пять лет Нансен был занят биологическими исследованиями в Бергенском музее, где он опубликовал ряд научных работ. Он отказался от предложений работать зоологом в Англии и Америке, предпочитая сохранить независимость. После трехлетнего напряженного труда он представил свою первую работу по биологии «К анатомии и гистологии мизостомид» — весьма серьезное исследование, в корне менявшее представления об этих крохотных, едва видных глазу многощетинковых червях. Он изучал моллюсков, ракообразных, низших морских позвоночных. Главное внимание Нансен уделял исследованию центральной нервной системы, изучая в ней, как он говорил, происхождение мысли.

Двадцатипятилетний Нансен закончил труд о нервной системе асцидий и Myxine glutinosa (т. е. класса панцирных моллюсков) и слизистого угря — Marsipobranchii. Эта работа позднее воплотилась в докторскую диссертацию «Строение и связь гистологических элементов нервной системы». Защита диссертации вызвала оживленные дебаты, а позднее труд Нансена получил признание как первый вклад в эту область науки. Впоследствии Нансен совместно с профессором Гульдбергом опубликовал труд «О развитии и строении кита».

Нансен погрузился в исследования по зоологии с сосредоточенностью, характерной для всех его занятий. Когда он днями просиживал в Бергене за микроскопом, отец, сам большой домосед, вынужден бывал писать ему, чтобы он не губил свое здоровье столь долгим пребыванием взаперти. С другой стороны, в трехмесячной научной командировке на биологической станции в Неаполе Нансен был, по свидетельству итальянских коллег, самым жизнерадостным человеком в коллективе. Светловолосый гигант-северянин мог отдаваться развлечениям, веселиться и танцевать всю ночь напролет. Он ревностно занимался всем, за что брался.

В период научных занятий в Бергене Нансен однажды услышал о предстоящих лыжных соревнованиях в Христиании, отделенной от Бергена тремястами километров горного ландшафта. Железная дорога еще не была построена, и Нансен двинулся напрямик через горы на лыжах, принял участие в соревнованиях, добился награды и на лыжах же вернулся в Берген, где вновь погрузился в научные изыскания. Он приобрел репутацию лучшего лыжника столицы. В 1881 г. им была получена вторая награда на национальных соревнованиях конькобежцев, и его результат был превзойден только будущим чемпионом мира. Вместе с тем Нансен был решительным противником начинавшихся тогда состязаний и рекордов, порождавших бездумных мускульных роботов и акробатов. По мнению Нансена, идея спорта — выковывать характер и волю, переносить людей на лоно природы.

Приблизительно в это время Нансен сшил себе своеобразный спортивный костюм и головной убор. Практичный, но непривычный с виду, этот наряд вызывал насмешки и критику. Но молодого Нансена, волевого и независимого, не тревожило то, что говорят о нем другие.

В 1884 г. он отбыл военную службу рядовым, и некоторые из его аристократических знакомых были шокированы, узнав, что он с такой же легкостью сближается с бедняками крестьянами, как и со знатными друзьями. Нансену претил снобизм в любой форме, и он никогда не судил о человеке по его титулу или положению. Истинный натуралист и дитя природы, он всю свою жизнь ценил в людях характер и качества, а не их социальное положение. Деньги для него всегда были средством и никогда не являлись целью. Иметь скромные желания, считал Нансен, гораздо выгоднее, чем много зарабатывать.

Через четыре дня после защиты докторской диссертации Нансен отправляется в путешествие, которое принесло ему мировую славу. Он мечтал о Гренландии с тех пор, как увидел в дрейфующих льдах с палубы «Викинга» ее суровые берега.

Вдохновленный и подстрекаемый своим великим современником — шведским путешественником Норденшельдом, двадцатишестилетний Нансен ринулся в рискованную экспедицию. Замысел его был прост — пересечь Гренландию на лыжах. Этот спорт в те времена был мало известен за пределами Норвегии, а центральная часть Гренландии была совершенно не изучена. Мировые авторитеты высмеивали и критиковали безумный, по их мнению, план, но это не могло повлиять на Нансена.

В то время населен был только западный берег Гренландии, восточный же был совершенно необитаем. Поэтому все предыдущие попытки проникнуть в глубь страны начинались от поселений на западном берегу, чтобы обеспечить возможное возвращение. Но Нансен не искал возможности возвращения. Великий замысел исходил из противоположного расчета: отправиться на лыжах от необитаемого восточного берега и с самого начала сжечь за собой мосты. Населенный западный берег должен был стать теперь целью, и Нансен мог сэкономить тяжелое снаряжение и продовольствие, необходимые для обратного пути при ином маршруте.

Нансену не удалось получить денежную субсидию от правительства, но средства были предоставлены одним датчанином. Большая часть снаряжения была сконструирована самим Нансеном: легкие и прочные нарты для палатки и продовольствия, снегоступы для восхождения на крутой подъем, лыжи специального типа для продвижения по плато и т. д. Для участия в экспедиции были отобраны пять норвежских граждан в возрасте от 24 до 46 лет, все опытные лыжники. Двое из них были лапландцы.

В июле 1888 г. Нансен и пять его товарищей погрузились в две небольшие шлюпки в подвижном льду у восточного берега Гренландии, покинув парусное судно под 65° северной широты. Они почти достигли берега, когда одна из лодок была сжата льдом и основательно повреждена. Пришлось вытащить ее на льдину для ремонта. Погода испортилась, и мелкий лед спрессовался; льдина быстро устремилась на юг, все дальше от земли. Двенадцать дней люди боролись за свою жизнь на дрейфующей льдине, стремившейся унести их в Северную Атлантику. Наконец льдину подхватил водоворот и ее прибило к берегу. Это оказался дикий и пустынный берег в пятистах километрах южнее намечавшегося пункта высадки экспедиции. Еще двенадцать дней Нансен и его товарищи пробивались на север сквозь предательский лед. Гигантские глыбы льда, низвергавшиеся с нависших глетчеров, грозили положить конец экспедиции. В конце концов людям удалось снова достигнуть 65° северной широты и вытащить на берег свои лодки.

15 августа началось восхождение на обрывистый берег, покрытый мощным ледяным щитом. Лед перекрещивали трещины и опасные расселины. После недели трудных испытаний удалось достигнуть плато, и здесь, на покрытой снегом равнине, можно было передвигаться значительно быстрее. При попутном ветре палатка служила парусом на тяжело нагруженных нартах. Нансен и его спутники пересекли Гренландию, достигнув высоты 2700 м над уровнем моря. Здесь температура в палатке падала иногда ночью до -45 °C.

Через шесть недель напряженного труда, голода и постоянной жажды экспедиция достигла берега открытого моря у Амералик-фьорда. Из палатки и ивовых лоз была изготовлена легкая утлая лодка, и в ней Нансен и его друг Свердруп отплыли к эскимосскому селению Готхоб, куда позднее пришли и остальные участники экспедиции.

Впервые Гренландия была пересечена. Получены новые важные знания во многих отраслях географии. Последний пароход уже ушел из Гренландии несколько недель тому назад, и Нансену с товарищами пришлось провести зиму и весну среди эскимосов. Жизнь в эскимосском поселке дала Нансену большой опыт и ценнейшие уроки, которые он никогда не забывал. «Как мы первобытны, и насколько был бы правилен взгляд так называемых дикарей на нас сверху вниз», — писал Нансен. Он восхищался социальной организацией эскимосов, их дружелюбием и гостеприимством, незлобивостью, их глубоким отвращением к войне и убийству. Нансену было горько думать, что культуре и моральным устоям этого народа грозит гибель в результате проникновения цивилизации.