Byrd forma Charles A. Lindbergh à la navigation pour son vol en solo en mai 1927.
En juin 1927, avec trois compagnons, il traversa l'Atlantique d'ouest en est en quarante deux heures, amerrissant de force à Ver-sur-Mer en France. Pour ce vol, la France lui accorda la Légion d'Honneur.

En 1928, il décida d'explorer les régions inconnues de l'Antarctique.
La participation financière de Edsel Ford et de John Rockefeller Jr, poussa le public à contribuer à cette expédition. Cette première expédition en Antarctique eut lieu de 1928 à 1930 .
Il y créa la base de Little America près de la barrière de Ross, qui fut le lieu d'envol de plusieurs expéditions aériennes sur le continent antarctique.

Il découvrit et nomma les montagnes Rockefeller et le territoire de Marie Byrd. Le 28 novembre 1929, Byrd décolla de la base de Little America avec trois hommes d'équipage dont le pilote Bernt Balchen. Son but était d'atteindre le pôle Sud. La visibilité était mauvaise et l'avion qui ne volait qu'à 3.500 mètres d'altitude, dut évoluer entre les falaises pour éviter les montagnes. Les courants plaquèrent l'appareil au sol, et pour éviter de s'écraser, l'équipage jeta au dehors les provisions de vivres.
Le 29 novembre, à 1 h 55 , le pôle sud était atteint.
Byrd jeta au sol le drapeau américain de sa patrie, mais également les pavillons norvégien en l'honneur d'Amundsen, anglais en l'honneur de Scott et français par amitié pour la France.

Byrd en 1929 et son vol de la Base Little America au Pôle Sud AR.

Byrd survolant le Pôle Sud et lançant le drapeau américain de son avion.

De 1933 à 1935, une seconde expédition lui permit d'effectuer un relevé de 400.000 km² du continent Antarctique et de poursuivre ses observations scientifiques.

En 1934, il passa six mois seul dans une hutte endurant des températures en dessous de - 50 ° C et même - 60 ° C, et fut récupéré dans un état préoccupant ( voir aussi le dossier consacré aux Citroën en Antarctique).

Entre 1939 et 1941, il dirigea une troisième expédition en Antarctique financée par le gouvernement américain. Après la seconde guerre mondiale, il fut responsable de l'opération maritime américaine High Jump.
Cette quatrième expédition, de loin la plus ambitieuse et la plus équipée (4.700 hommes, 13 bateaux et 25 hydravions) photographia et effectua le relevé de près de 1.390.000 km² de l'Antarctique. Byrd réalisa son second vol au-dessus du pôle Sud.
En 1955, il fut promu officier des programmes antarctiques des Etats-unis et supervisa l'opération Deep Freeze. Il accompagna l'expédition scientifique à bord du brise-glace Glacier. Le 8 janvier 1956, il accomplit son dernier vol d'exploration au-dessus du pôle Sud.

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