En 1924, il connut sa première expérience polaire en dirigeant un petit détachement d'aviation navale lors d'une expédition arctique à l'ouest du Groenland.
Il décida d'être le premier homme à survoler le pôle Nord en hydravion.
Le 29 avril 1926, Byrd arriva au Spitzberg à bord du navire le Chantier. Le quai de Ny Aalesund étant occupé par d'autres bateaux, il fit mettre à l'eau quatre canots reliés les uns aux autres par des planches et qui supportèrent le poids du biplan trimoteur Fokker.
L'hydravion fut débarqué après vingt-quatre heures d'un dur labeur. Sur la terre ferme, une tente destinée à servir d'atelier fut dressée et après plusieurs jours de travail, le Fokker trimoteur monté sur skis était prêt à effectuer son premier vol polaire. Pendant les essais, les patins du train d'atterrissage cassèrent, mais l'avarie réparée, Byrd et son pilote Lloyd Bennett embarquèrent à bord du Joséphine-Ford (nommé ainsi en l'honneur de la petite-fille du constructeur automobile, bailleur de fonds de l'expédition).

Il revinrent le 9 mai 1926 à la baie du Roi en prétendant avoir survolé le pôle Nord. L'expédition fut félicitée par Amundsen, qui à la même place et au même moment, se préparait à effectuer le premier vol transpolaire du Spitzberg à l'Alaska à bord du ballon dirigeable le Norge. Il lui fit même livrer, à cette époque de prohibition aux Etats-Unis et en Norvège, deux caisses de vin marquées " médicaments ".

Le Fokker, pour parcourir la distance de 1.250 km reliant la baie du Roi au pôle, avait soutenu une vitesse d'au moins 160 km/h pendant toute la durée du vol.
Au retour du Joséphine-Ford, les réservoirs d'essence ne contenaient plus de carburant que pour deux ou trois heures de vol, ce qui aurait pu mettre l'expédition en péril.
Aux Etats-Unis, les deux hommes furent fêtés en héros.

Cependant, des doutes furent émis plus tard par Bernt Balchen, quant au réel succès de l'expédition, et en 1994, un chercheur américain, Dennis Rawlins, expert en navigation polaire, analysa le journal de Byrd utilisé lors du vol pour les observations et la communication écrite entre Byrd et Bennett.
Rawlins affirma être certain que le but n'avait pas été atteint, et que Byrd avait rebroussé chemin à environ 240 km du pôle, suite à une fuite moteur.

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