Er soll (nach eigenen Angaben) am 9.5.1926 als erster von Spitzbergen aus den Nordpol überflogen haben, was heute jedoch bezweifelt wird. 1928–1930 unternahm er eine erfolgreiche Forschungsreise in die Antarktis, während der er am 29.11.1929 vom Lager Little America aus als erster den Südpol überflog. Weitere Antarktisreisen folgten 1933–1935 und 1939–1941; 1946/47 fand die „Operation Highjump“ statt, an der 13 Schiffe, etwa 20 Flugzeuge und 4000 Mann beteiligt waren. Byrd führte eine umfangreiche Kartierung der Ost- und Westantarktis durch.