Viņš pārtrauca iecerēto mediķa karjeru, un tā vietā nolēma veltīt dzīvi polārpētniecībai. Āmunsens bija kvalificēts jūrnieks un strādāja uz tirdzniecības kuģa Arktikā. Tad viņš pieteicās par pirmo kapteiņa palīgu uz kuģa "Belgica", kas laikā no 1897–1899. gadam pirmo reizi vēsturē palika pa ziemu Arktikā.
Šajos ceļojumos gūtā pieredze deva viņam nepieciešamo pārliecību uzņemties grūto pasākumu, kas nebija bijis pa spēkam nevienam kuģotājam 300 gadu laikā – šķērsot Ziemeļrietumu pāreju. Pētnieki jau sen zināja, ka eksistē šāda pāreja, kas savieno Eiropu un Āziju, uz ziemeļiem no Ziemeļamerikas kontinenta, taču nevienam kuģim vēl nebija izdevies to pārvarēt visā garumā. Āmunsens nopirka pamatīgi būvētu, 45 tonnu smagu kuģi "Gjøa", aprīkoja to ar burām un 13 zirgspēku motoru, un 1903. gada vasarā "Gjøa" dreifēja ārā no Oslo fjorda. Kuģis ar sešu vīru apkalpi bija gatavs veikt ceļu cauri Ziemeļrietumu pārejas peldošiem ledus gabaliem.
Ekspedīcija izdevās, un 1906. gada augustā "Gjøa" izlauzās cauri pārejas pēdējam posmam. Ceļā vīri bija arī savākuši bagātīgu zinātnisko informāciju, no kuras vissvarīgākā attiecās uz zemes magnētismu un novērojumiem par magnētiskā Ziemeļpola precīzu atrašanās vietu. Turklāt viņi bija arī savākuši etnogrāfiskos materiālus par eskimosu populāciju pie Ziemeļrietumu pārejas.
Ātro panākumu iedvesmots, Āmunsens pievērsās Ziemeļpola izpētei. Viņš bija iecerējis ļaut kuģim iesalt ledū uz ziemeļiem no Beringa jūras šauruma, taču pētniekam bija grūti savākt finansiālos līdzekļus. 1909. gada septembrī pasauli aplidoja ziņa, ka amerikāņi Roberts Pīrijs (Robert Peary) un Frederiks Kuks (Frederick Cook) sasnieguši Ziemeļpolu. Tad Āmunsens nolēma atlikt iecerēto ekspedīciju uz Ziemeļpolu un tā vietā mēģināt sasniegt Dievidpolu pirms Roberta Falkona Skota (Robert Falcon Scott), kurš vadīja vērienīgu ekspedīciju, kas jau bija ceļā uz Antarktīdu.
Augustā Āmunsens devās uz dienvidiem ar kuģi "Fram", ko viņa rīcībā bija nodevis Nansens. Tajos laikos, lai šķērsotu Beringa jūras šaurumu, kuģiem bija jāapbrauc Horna rags. Tādēļ tad, kad “Fram” uzņēma kursu uz Dienvidiem, neviens nenojauta par to, ka plāni mainījušies.
Kad kuģis piestāja Madeirā, Āmunsens informēja ekspedīcijas dalībniekus, ka viņi dodas uz dienvidiem, nevis uz ziemeļiem. Skotam tika nogādāta telegramma ar ziņu, ka norvēģu ekspedīcija ir ceļā uz Antarktīdu. Dramatiskās sacensības, kas sekoja, vēl arī mūsdienās aizrauj publiku.
Āmunsens uzcēla bāzes nometni Velsas līcī. Tas bija tuvāk Dievidpolam nekā Skota ekspedīcijas sākumpunkts – Makmurdo jūras šaurums. Tomēr apvidus starp Velsas līci un Dienvidpolu bija neizpētīts, turpretī Skotam bija paredzēts doties pa maršrutu, ko 1908. gadā jau bija apguvis viņa tautietis Šekltons (Shackleton). 1911. gada 19. oktobrī Āmunsens un viņa četri biedri devās ceļā no bāzes nometnes četrās kamanās, kurās bija iejūgti 52 suņi. Āmunsena misijai bija tikai viens mērķis; sasniegt Dienvidpolu, ātri. Pēc diviem mēnešiem šis uzdevums bija izpildīts, piecas nedēļas ātrāk nekā Dienvidpolā ieradās Skots un viņa spēkus zaudējušie vīri, kas tur atrada Āmunsena pacelto karogu un telti.
1911. gada 14. decembrī Dienvidpolā pacēla Norvēģijas karogu. Norvēģu komanda bija šķērsojusi bīstamo Rosa Barjeru, lai sasniegtu šļūdoņu caurvītu, augstu kalnu grēdas pakāji. Doties tālāk šķita riskanti. Taču, pateicoties šo vīru prasmei un krietnai veiksmes devai, viņi izlauza sev ceļu augšup pa Heiberga šļūdoni, šķērsoja kalnu grēdu un sasniedza plato, kas veda uz Dienvidpolu.
Tāda vēriena pētniekam kā Āmunsens bija grūti rast jaunus varoņdarbus, tomēr bija vēl kaut kas, ko viņš vēlējās izdarīt – izpētīt Ziemeļu Ledus okeānu, to pārlidojot. 1925. gadā viņš veica pārdrošu ekspedīciju ar diviem hidroplāniem, N24 un N25. Lidmašīnas cieta avāriju, nokrītot uz ledus 88° uz ziemeļiem, tomēr komandai izdevās ar vienu no tiem atkal pacelties gaisā, un pēc trīs nedēļām viņi atgriezās Svālbardā.
Amerikānis Linkolns Elsvorts (Lincoln Ellsworth) finansēja ekspedīciju ar hidroplāniem un piedalījās tajā kopā ar Āmunsenu. Nākamajā gadā Rūals Āmunsens kopā ar Elsvortu un itāli Umberto Nobili (Umberto Nobile), vadīja ekspedīciju ar dirižabli "Norge" (Norvēģija) no Svālbardas pāri Ziemeļpolam uz Aļasku. Pētnieki šķērsoja līdz šim neizpētītu teritoriju, aizpildot pēdējo tukšo laukumu pasaules kartē.
Arktiskie pētījumi bija Āmunsena dzīves jēga un saturs. Tiem bija lemts arī vest viņu nāvē. Kad pēc diviem gadiem Nobile uzsāka otro arktisko lidojumu ar dirižabli "Italia" – dirižabļa "Norge" līdzinieku – ekspedīcija pazuda bez vēsts. Āmunsens piedalījās tās meklēšanā. Otrā meklētāju grupa atrada gan dirižabli, gan Nobili – dzīvu. Bet Āmunsens un viņa biedri nekad vairs neatgriezās.