En septembre 1909, Scott décide de monter une nouvelle expédition, avec pour objectif d'atteindre le pôle Sud et de mener plusieurs études scientifiques. Malgré une grande difficulté à réunir les fonds nécessaires, Scott se rend en Norvège, début 1910, pour assister aux essais de traîneaux à moteur qu'il a l'intention d'utiliser. Tout comme Shackleton qui vient d'arriver à 180 km du pôle Sud, Scott envisage d'utiliser des poneys. Le navire Discovery n'étant pas disponible, il utilise le Terra Nova, baleinière à charbon de 700 tonneaux construite en 1884. Le 1er juin 1910, le bateau quitte l'Angleterre. L'équipage est constitué, entre autres, de :

Le 2 février une équipe s'apprête à partir pour établir des dépôts de vivres tout au long de la route menant au pôle. Lors de ce trajet préliminaire, l'utilisation de poneys n'est pas concluante. S'enfonçant jusqu'au poitrail dans la neige, ils obligent l'expédition à effectuer ses déplacements la nuit sur la neige gelée. Ils se fatiguent également très vite, contrairement aux chiens qui semblent bien s'adapter aux rigueurs géographiques et climatiques. Le 17 février, Scott établit le dernier dépôt à 78° 28', à 50 km environ du point prévu. Cette décision sera fatale.

Le 13 mai, tous les membres de l'équipage se retrouvent au cap Evans et se préparent à passer l'hiver 1911 dans la cabane qui mesure 26 m sur 7,60 m. Equipée d'une cuisine et d'une salle de bains, ils y mènent une vie sociale réduite mais cependant hiérarchisée, puisque le carré des marins y est séparé du mess des officiers. Cette hiérarchie navale éloigne Scott de ses hommes, à la différence d'Amundsen et de Shackleton. Les hommes ont du travail : entretien de la cabane, préparation des voyages en traîneau, réparation des sacs de couchage, perfectionnement de l'outillage, transformation des tentes, fabrication de sacs à provision, de crampons, de semelles,… tout cela en plus du travail scientifique lui-même. Pour lutter contre l'ennui, des livres, des disques et un piano ont été apportés. Des conférences sont même organisées sur place par les scientifiques de l'expédition.

En plein hiver, le 27 juin 1911, trois membres de l'équipe du cap Evans : Bill Wilson, Birdie Bowers et Apsley Cherry-Garrard, partent pour une marche de 450 km vers le cap Crozier, où Wilson souhaite étudier une colonie de manchots empereurs pendant la période de couvaison. Emportant 343 kg de vivres et d'équipement pour 3 semaines tirés sur deux traîneaux, les trois hommes progressent dans des conditions épouvantables : la température tombe jusqu'à - 61 °C rendant presque impossible toute inspiration et gelant la sueur des hommes constamment trempés. Couverts de glace, les explorateurs doivent même prendre une posture accroupie en sortant le matin de leur tente, afin que leurs vêtements qui gèlent ne les laissent pas dans une position inconfortable pour tirer les traîneaux. Le 15 juillet, ils atteignent le Knoll, et construisent un abri en pierre de 2,40 sur 3,60 m. La situation empire : tempêtes et blizzards se lèvent, arrachant et faisant disparaître la tente, seul refuge des hommes pour leur voyage du retour. Leur abri, dont le toit est déchiré par la tempête, se remplit de neige, et il ne leur reste plus que leur sac de couchage plein de glace, dernière protection contre l'ouragan. Ils vivent ainsi pendant 4 semaines dans les pires conditions, mais retrouvent leur tente. La récolte de Wilson est bien maigre : trois œufs de manchots seulement qui seront plus tard transportés à l'Université d'Edimbourg. L'équipe reprend le chemin du retour, dans le froid et la fatigue qui fait marcher les hommes en dormant. Ils atteignent le cap Evans le 1er août 1911 après 36 jours de calvaire et il faut découper sur eux leurs vêtements gelés qu'ils ne peuvent même plus enlever.

Une autre expédition de 6 hommes, conduite par Victor Campbell, quitte le refuge de cap Evans en février 1911 en direction du cap Adare où les hommes mènent plusieurs études topographiques sur la côte de la terre Victoria. Ils retrouvent le Terra Nova le 3 janvier 1912, mais décident de poursuivre plus au sud. Ils débarquent à Evans Coves le 8 janvier, dans la baie Terra Nova, avec 6 semaines de rations, plus 4 semaines de rations réduites. Ils tentent d'explorer et de réaliser une étude topographique de la région située au Nord du mont Melbourne, puis retournent à leur dépôt pour rejoindre le Terra Nova qui n'est pas là. Soucieux de ce qui a pu lui arriver, les 6 hommes doivent rapidement réagir. L'automne approche et la nourriture commence à manquer. Les explorateurs creusent une grotte dans la glace de 3,60 m sur 2,70 m où aucun ne peut se tenir debout. Les rations diminuent sensiblement, agrémentées parfois de graisse et de viande de phoques et de manchots. L'hiver installé, les équipiers restent dans leur cabane de glace, où le manque d'obscurité provoque des dépressions et où la faim et le froid les rongent. Dans leur abri mal aéré, le poêle sur lequel ils cuisent la viande dégage une épaisse fumée grasse, qui se dépose sur les parois de la cellule et les vêtements des explorateurs qui commencent à moisir, risquant de geler à toute tentative de sortie. Début septembre, l'équipe est atteinte d'entérite, maladie due principalement au manque d'hygiène et à une mauvaise alimentation. Deux hommes sont particulièrement touchés. Le 30 septembre, l'équipe tente une sortie vers le cap Evans, transportant durant 40 jours de marche les deux équipiers malades, auxquels les hommes valides offrent leur ration de biscuits (riches en hydrate de carbone). A deux reprises, ils découvrent des dépôts contenant des vivres et le 7 novembre 1912, ils aperçoivent Hut-point où les explorateurs apprennent la tragique issue de l'expédition de Scott au pôle Sud.

Cette aventure de Scott vers le pôle Sud est la dernière. Elle débute le 24 octobre 1911, lorsque Scott, 13 hommes, 19 poneys, 34 chiens, 13 traîneaux et 2 traîneaux à chenilles motorisés (contenant 3 tonnes de nourriture, combustible et équipement), quittent le cap Evans en direction de la plate-forme de Ross, première étape de l'expédition. Le plan de Scott est de débuter la marche vers le pôle avec tous les membres de l'équipage, afin de transporter un maximum de vivres et d'équipement, puis, à plusieurs reprises, d'effectuer une retraite successive d'hommes qui se séparent du reste du groupe pour retourner à la base. Durant la traversée de la plate-forme de Ross, l'équipe rejoint les 4 hommes motorisés, dont les traîneaux se brisent. 2 hommes repartent vers le camp de base. Très vite, contrairement aux chiens, les poneys trahissent une grande fatigue et une difficulté à progresser dans la neige. Ils s'épuisent et succombent. Les hommes remplacent les animaux mais s'épuisent également. Après le départ de 4 nouveaux compagnons, Scott et ses hommes entament la seconde partie de leur marche. Ils atteignent le sommet du glacier Beardmore à 2.800 m d'altitude le 21 décembre 1911, après s'être frayés un chemin à travers les séracs menaçant de se détacher. 4 autres équipiers repartent et les 8 restants se séparent en deux équipes à 567 km du but. Les étapes sont plus ou moins difficiles. A quelques étapes aisées succèdent de fortes montées ou d'immenses zones de crevasses et de séracs. A chaque halte sont effectuées des observations scientifiques. De même que le paysage, le climat est changeant. Après le vent et le froid, le soleil se met à taper, faisant suer les hommes qui avancent en tirant leur traîneau et les faisant geler au moindre arrêt.
Ils fêtent Noël à 2.500 m d'altitude. Le jour de Noël, un des hommes tombe et reste suspendu au-dessus d'une crevasse de 25 m, risquant d'entraîner le traîneau et ses compagnons. Le 31 décembre, la caravane atteint 87° Sud, se plaçant à 330 km du pôle. Le 4 janvier 1912, à 277 km du but, le groupe se sépare. Scott renvoie 3 compagnons et continue avec Wilson, Oates, Bowers et Evans. Chaque homme transporte une charge d'environ 85 kg cumulés sur un seul traîneau. La progression qui commence assez rapidement doit vite ralentir. Les crevasses sont dissimulées sous une dure croûte de neige, et il faut sonder la glace qui menace de se briser sous le poids des traîneaux. Le décor change à nouveau révélant une mer de neige pleine de vagues ou une plaine blanche à l'arrivée sur le plateau. Le chef de l'expédition se félicite de leur bonne allure de marche. Parvenus à 43 km du pôle, les 5 hommes aperçoivent des traces dans la neige et comprennent que Amundsen et son équipe les ont devancés. Les explorateurs, dont le moral est très affaibli, atteignent le pôle Sud le 17 janvier 1912 et constatent la victoire des Norvégiens. Après une courte halte au pôle, les explorateurs se remettent en route le 19 janvier pour parcourir les 1.500 km les séparant de la base de cap Evans. Les hommes épuisés doivent haler le traîneau. Le manque de nourriture et le froid provoquent scorbut, engelures et dépression chez Evans. Le 7 février, l'équipe atteint le sommet du glacier Beardmore. Malgré la grande urgence à rejoindre le camp, elle s'arrête deux jours pour récolter des échantillons géologiques et charger 16 kg de roches sur un traîneau déjà difficile à tirer. Lorsqu'elle atteint le dépôt, Evans qui perd la raison meurt prostré le 17 février. Pour survivre, les explorateurs doivent parcourir 16 km par jour. Epuisés, ils n'y parviennent pas. Oates, handicapé par de terribles gelures provoquant la gangrène de ses pieds, se sacrifie pour ne pas retarder ses compagnons et part seul dans le blizzard le 16 mars. Le 21 mars, les trois derniers membres de l'expédition se retrouvent coincés par le blizzard sans plus de carburant. La dernière phrase du journal de Scott date du 29 mars 1912. A seulement 18 km d'un dépôt de vivres, Scott, âgé de 43 ans, Bowers et Wilson périssent de faim et de froid.

Huit mois plus tard, le 12 novembre 1912, une équipe de secours menée par Atkinson, retrouve les corps gelés des 3 compagnons dans leur sac de couchage. Il rapporte le journal de Scott, ainsi que les douze longues lettres écrites avant sa mort. L'équipage du Terra Nova érige un cairn de neige sur les corps des 3 explorateurs, en haut duquel il dresse une paire de skis croisés.

En apprenant la mort de Scott, la Grande-Bretagne pleura la mort d'un héros et le monde entier fut touché.