1861年，南森出生在挪威的首都奥斯陆附近。他在奥斯陆上完小学、中学，又到大学去学习深造。南森很有天资，学习也很刻苦，各门功课经常名列前茅。但他最感兴趣的是海洋，尤其是当时争论不休的北极之谜，更加吸引了他。
当时，地理大发现时期的海洋探险已过去300多年，但人们对北极仍然了解甚少。科学家们几百年来一直对北极进行着激烈的争论。争论的焦点是：北极到底是陆地还是海洋。到了南森求学的时代，北极冰雪下面的秘密仍然没有揭开，西方国家也在不断地派出探险队继续探索北极的秘密。
北极到底是什么样子？难道它真的是人类不可逾越的禁区吗？年轻的南森密切地注视着人们的北极探险活动，认真收集和研究着北极的探险资料。
大学毕业后，南森被派到卑尔根的自然博物馆去工作，不久就被任命为副馆长。卑尔根濒临北海和挪威海，风光秀丽，景色迷人，是挪威传统的航运商业中心和通商口岸。但刚刚走入生活的南森，并没有被这舒适的生活环境所陶醉，他充分利用博物馆的便利条件，更加深入地研究有关北极的资料，特别是潮汐、波浪以及冰山和海流的走向。在这些研究的基础上他初步断定，北极是海洋，而不是陆地。
这个判断是否正确呢？他还拿不准。只有亲身到北极去，才能证明这一论断正确与否。南森决心准备条件，在适当的时候，亲自率领一支探险队去北极探险。
南森认识到，到北极探险，首先需要的是爬冰卧雪的坚强毅力和学会在冰海雪原的恶劣条件下生活的本领。为此，他在27岁时毅然辞去了博物馆的职务，进行了一次徒步穿越格陵兰岛的长途旅行，以便为未来的北极探险做好精神和身体上的准备。
南森乘船到格陵兰东岸，然后弃船登陆，同他的伙伴一道，划雪橇向格陵兰西部挺进。在一年的时间里，他们爬冰卧雪，饥餐露宿，忍受着严寒酷冷，同严酷的大自然展开了顽强的搏斗，最后终于胜利地抵达格陵兰西海岸，成为人类史上第一个划雪橇穿越格陵兰的勇士。
从格陵兰回国以后，南森便着手拟定北极探险的计划。正在这时，一条重要的新闻吸引了他：人们从格陵兰东海岸边捞上了一条船的残骸。经过鉴定，证明该船是5年前在西伯利亚东海岸被浮冰压碎的美国船“珍妮”号。南森兴奋异常，他认为，既然在西伯利亚东海岸遇难的船只若干年后可以在格陵兰的东海岸见到它的碎片，那就是说北极的冰层下面一定是海洋！而且，在这个海洋中还一定存在着一股海流，从西伯利亚东海岸，穿过北极，流向格陵兰。只有具备了这两个条件，“珍妮”号的残骸才有可能漂流到格陵兰。
这条重要的新闻使南森更加确信自己的判断是正确的：北极是海洋，不是陆地！更加坚定了他到北极探险的雄心壮志。
当时，破冰船还没有问世，如何设计一条适宜在冰海世界中航行的极地探险船，成了一个关键问题。为此，南森苦心钻研，反复琢磨，终于设计并造出了一条特殊的北极考察船。这条船长38米，双尾，三桅纵帆，船体没有龙骨，船底呈半圆形，船壳内层用木头，外层用铁皮加固，厚1.22米。船的乘员为12名，可装载供12人生活5年的煤、水和食品。
南森为什么要把船设计成这种奇形怪状呢？他认为，只有这样的船才能适合极地航行。因为，船底呈半圆形，船一旦被浮冰包围，就会被冰挤到冰面上来，而不至被冰压猝沉没。后来的实践证明，南森韵想法是科学的，南森给这条船命名为“前进”号。
可是，历史上一些发明家的大胆设想，往往遭到人们的讥讽和责难。1892年，当南森在伦敦地理学会上，报告了他的北极探险计划以后，得到的回答却是一片谩骂嘲笑之声。
一个有20年北极探险经验的老探险家听了南森的陈述，气急败坏，指着南森说：“你在发疯吗？我敢说你在那里过不了一个冬天，船就被挤得粉碎。如果你硬要坚持这样的冒险，我们将永远见不到你活着回来！”
人们的指责和反对没有动摇南森的决心。他终于说服了挪威政府，为他筹捐探险资金，这对他的北极探险是非常重要的条件。
1893年6月24日，南森率领12名由他亲自挑选的探险队员，乘坐“前进”号，从奥斯陆起航，开始了他的北极探险。“前进”号绕过挪威北端，向东西伯利亚海驶去，来到了哈巴罗夫村。这是一个坐落在西伯利亚北岸的边远村庄，南森在这里弄到了35条拖雪橇的狗。8月4日，他们驶离了这个寂静的极地村庄，继续探险。在喀拉海，他们碰到了暴风雪，“前进”号与风雪展开了顽强的搏斗。冰块与严寒重重向他们袭来，9月21日，纷至沓来的浮冰终于包围“前进”号，船被浮冰冻住，挤上了冰面，再也不能前进了。这事发生在北纬78°30′处，距离北极1300千米的地方。
这时，漫长的极夜已经降临，气温也急剧下降。在当时通讯联络手段不很发达的情况下，南森探险队与外界完全断绝了联系。他们眼观漫天风雪、茫茫黑夜，耳听狂风呼啸，感到不寒而栗。但是，他们并没有退缩，而是勇敢地生活下去。渐渐地，他们也习惯了这种与风雪为伍、同黑暗相伴的单调生活。圣诞节时，他们围坐在船舱里，吃着鱼布丁、烤鹿肉，喝着美味的果汁酒，谈笑风生。当有人拉起小提琴时，南森便邀请伙伴跳起舞来。这真是亘古未有的极地舞会！
“前进”号随着浮冰漂流，但探险队员们可并不轻松，他们得随时随地进行科学考察，观测风云变幻，实测冰块的漂移方向，并根据太阳和星辰的方位，测定船随冰块漂浮的方向。
1893年圣诞节前夜，他们发现船只漂浮了75千米，而且是向阿拉斯加漂去，并非格陵兰！当时，他们所在的海区盛行西风和西北风，所以船才向东漂去，直到1894年1月，“前进”号才开始向格陵兰岛的方向漂浮。
南森发现，冰和船只漂流的方向和风并不一致，而是和风向呈20 °－40 °角向右漂流。对造成这一偏差的原因，南森进行了深入的调查，结果发现这里存在着一支海流。
1895年3月，“前进”号已随冰漂流到北纬84 °的海域，这里距北极600千米。遗憾的是，“前进”号再也不向北漂流了。南森决定探险队留在原地，他和海军军官约翰逊乘坐狗拉雪橇，继续北进，准备用两个月的时间，到达北极点。
1895年3月14日，南森和约翰逊离开了“前进”号，开始了向北极的进军。一路之上，道路高低不平，他们两人前进的速度极为缓慢，同时还得随时观察冰层情况，以防冰层突然断裂，另外，还要小心提防北极熊的袭击。有一次，当他们站在迅速裂开的冰层向对岸观察时，约翰逊不慎摔倒，掉进了冰洞，南森费尽全力，才把快要冻僵了的约翰逊拉了出来。
他们就这样步履艰难地前进着。4月8日，他们到达了北纬86 ° 13′的地方，这里距北极还不到400千米，但出现在他们面前的却是一片开阔水域，他们无法前进，只好返回了。尽管这样，他们也还是比前人多向北极推进了315千米。
在离开“前进”号122天后，南森和约翰逊来到了法兰士约瑟夫地群岛。长期艰难的跋涉，使得他们两人疲惫不堪。南森决定在岛上找一个洞穴过冬，休养体力，待来年春天再去寻找“前进”号。于是，这两位勇士就在这冰海雪原之中，过着原始人狩猎生活，捕鱼捉鸟打海豹，终于度过了这个漫长的冬季。
1896年6月17日，南森和约瀚逊开始准备新的旅行。前一天，他们曾遭到了海象群的袭击。为了逃生，他们把橡皮艇给丢掉了。这一天，南森正在帐篷里准备早餐，突然听到了狗叫声。他又惊又喜，冲出了帐篷，看见来了一队人，领头的是一个绅士派头的英国人。当这个头发长乱，满脸油烟的陌生人走近这位英国人时，英国人大吃一惊，但他很快伸出手表示问候：“朋友，见到您很高兴！”
“谢谢您，我也同样高兴。”南森激动回答说。
“您这里有船吗？”
“没有，我的船不在这里。”
“您有多少人？”
“我身边只有一个助手。”
“您不是南森先生吗？”
“是的，我是南森。”
“天啊，我终于找到您们了！”
原来这是英国政府派往北极协助寻找南森探险队的英国探险队，领队是英国著名的极地探险家杰克逊。南森和约翰逊在杰克逊的船上呆了半年，然后才搭乘英国船“温德华”号，于1896年8月13日到达挪威，回到他阔别了多年的故乡。
“前进”号上留下来的11名队员，由于等不到南森，就随冰继续漂流，1895年11月15日到达距离北极454千米的最北点，然后，折向南方向斯匹茨卑尔根群岛漂流。在南森回国后不久，“前进”号也完整地安全返回挪威。
南森北极探险成功的消息，传遍了世界各地，他的名字光荣地载入了海洋科学的史册。南森虽然没有最后到达北极点，但他却是世界上第一个证实北极不是陆地而是海洋的人，是第一个验证北冰洋存在着由东向西流动的极地海流的人，也是当时北极探险中离极点最近的人。