В 1926 году Земля Франца-Иосифа была объявлена территорией СССР, осталось лишь водрузить флаг и основать полярную станцию.
В 1929 году «красный академик» получил предложение от советского правительства возглавить экспедицию на Арктику. Цель экспедиции — достигнуть Земли Франца-Иосифа, доставить туда зимовщиков и организовать самую северную научную станцию. Шмидт был назначен одновременно начальником экспедиции и правительственным комиссаром архипелага Земли Франца-Иосифа, а также других островов, которые могла открыть экспедиция в границах СССР.
В первый день плавания пересекли полярный круг. Чем дальше уходили на север, тем более утолщались ледяные поля с беспорядочно нагроможденными на них торосами. Идти стало затруднительно — судно мореплавателей — «Седов» — не ледокол, а «ледокольный пароход», по размерам раз в пять меньше «Красина».
Случалось, что целую вахту — четыре часа — ценой огромных усилий и большого количества сожженного в топках угля ледокольный пароход «Седов» пробивался всего на корпус. У берегов Земли Франца-Иосифа Отто Юльевич мог не раз погибнуть. Перед отплытием на большую землю Шмидт решил еще раз проверить, хорошо ли устроили полярников. Он уже собирался отправиться назад, на ледокол, когда ветер нагнал в бухту тяжелые льдины. Ледокол маневрировал далеко от берега и подойти не мог — у берега были мели. Шмидт решил добираться без лодки. Он взял багор и стал перепрыгивать с одной льдины на другую. Иногда он плыл на льдине, отталкиваясь багром. С корабля ему на помощь прислали лодку. Шмидт спрыгнул в лодку, и она тут же перевернулась. С корабля спустили лодку побольше и доставили академика на борт.
28 июля показалась Земля Франца-Иосифа. Станцию поставили на мысе Седова, под крестом, поставленным самим Седовым.
21 августа «Седов» вышел в научное плаванье на Дальний Север. Корабль шел к 83 параллели и достиг 82° 14 северной широты. Так был побит мировой рекорд плавания в евразийском секторе Арктики. 700 километров отделяли «Седова» от Северного полюса.
Неожиданно пароход попал в ледяной плен, и Шмидт с группой добровольцев решили добираться до Земли Франца-Иосифа пешком. 28 часов скитаний по дрейфующим льдам не дали никакого результата. Все дальше и дальше уносило льды от берега, и все шире становились разводья. Надежда на спасение исчезала с каждой минутой. И лишь чудом вырвавшийся из ледяного плена «Седов» спас Шмидта и его спутников.
30 августа «Седов» тронулся в обратный путь. Льды мешали продвижению, и Шмидт предложил оригинальное решение — идти на юг через север. Этот кружной путь оказался хоть тяжелым, но проходимым. К концу путешествия пароход износился до крайности.
11 сентября 1929 года закончился первый арктический поход Шмидта. А когда все исследования Арктики правительство решило сосредоточить в одном учреждении и создало Арктический институт, Шмидт был назначен директором этого института. Во время второй Арктической экспедиции Шмидт решил высадить группу добровольцев на Северной Земле, сроком на два года.
Второе плаванье «Седова» из Архангельска должно было решить гораздо более сложные задачи: снова нужно было достичь берегов Земли Франца-Иосифа, сменить доставленных туда зимовщиков и расширить станцию.
Ледокол «Седов» вышел из Архангельска 15 июля 1930 года. Сначала он зашел на Землю Франца-Иосифа в бухту Тихую и сменил зимовщиков. После бухты Тихой ледокол отправился к Северной Земле. Тогда и выяснили, что Северная Земля не остров, а архипелаг.
Через два года Шмидт вернулся за зимовщиками на ледоколе «Сибиряков», сменил зимовщиков и решил обогнуть Северную Землю с севера. У Шмидта была карта архипелага, составленная экспедицией.
Однако судно затерло льдами, лед впереди по курсу взрывали динамитом. Уголь кончился. Но «Сибиряков» обогнул Северную Землю, поскольку Шмидт предложил поставить паруса. И 1 октября в 14 часов 45 минут ледокол «Сибиряков» под парусами вошел в Берингов пролив и вышел в Тихий океан. Впервые за всю историю человечества за одну навигацию был пройден весь Великий Северный морской путь. 1 октября 1932 года Шмидту исполнилось 48 лет.
«Сибирякова» торжественно встречали во всех портах, а в Японии ему поставили новый вал. Этой экспедиции впервые удалось в одну навигацию преодолеть Северный морской путь от Архангельска к Берингову проливу.
Свой следующий день рождения Шмидт опять встречал во льдах на пароходе «Челюскин». Почти за сто лет до этого плаванья подштурман российского флота Семен Челюскин первым из европейцев достиг самой северной точки Азиатского материка, названной в его честь мысом Челюскина. Так же назвали и пароход.