В 1894 г. министр финансов Российской империи Сергей Витте разработал план по освоению Крайнего Севера. Переселенцы получали различные льготы и субсидии, освобождались от уплаты налогов и воинской службы.
Одновременно были предприняты шаги по наращиванию военного присутствия в Арктике. В 1898 г. в Кольском заливе Баренцева моря был заложен первый военный порт Александровский, который сегодня стал крупнейшим пунктом базирования Северного флота России. А в 1916 г. в 35 километрах к югу от нового порта на побережье Кольского залива был основан город Романов-на-Мурмане, который теперь носит название Мурманск. Сейчас это крупнейший город в мире, расположенный за полярным кругом.
На рубеже XX в. с карты Арктики один за другим исчезали белые пятна. Так, в 1900 г. Русская полярная экспедиция во главе с бароном Эдуардом Толлем и лейтенантом флота Александром Колчаком исследовала Новосибирские острова и нанесла на карту Арктики около двухсот новых географических названий.
В 1912 г. полярный исследователь Георгий Седов первым из россиян попытался достичь Северного полюса. Судно «Святой Фока» вышло из Архангельска, но из-за непроходимых льдов вынуждено было встать на зимовку у Новой Земли. К Земле Франца-Иосифа экспедиция подошла лишь летом следующего года. Здесь снова пришлось зимовать, поскольку судно не смогло пополнить запасы угля. Экипаж жестоко страдал от цинги, заболел и сам Седов. Тем не менее полярник решил любой ценой добраться до цели.
2 февраля 1914 г. Седов и сопровождавшие его матросы Григорий Линник и Александр Пустошный на трех собачьих упряжках отправились к полюсу. Через неделю после начала похода Седов настолько ослаб, что попросил привязывать его к нартам. Вскоре капитан «Святого Фоки» скончался и был похоронен на острове Рудольфа. Его спутники вернулись на корабль. А одна из собак Седова, по кличке Фрам, осталась на могиле хозяина.
К 1925 г. был организован научно-исследовательский институт изучения Севера, продолжилось заселение арктических территорий.
В 1926 г. на остров Врангеля на пароходе «Ставрополь» была отправлена экспедиция под руководством исследователя Арктики Георгия Ушакова. Ее участники основали поселок и полярную станцию и стали первыми жителями острова. Ранней весной 1933 г. ледокол «Красин» преодолел зимние льды и дошел до Новой Земли, доставив поселенцам груз продовольствия. Так впервые на практике было опровергнуто утверждение, что зимние рейсы в Арктике невозможны.
В 1929 г. началась колонизация Земли Франца-Иосифа. Две экспедиции под руководством полярного исследователя Отто Шмидта доставили на архипелаг первые партии зимовщиков. Они прошли на собачьих упряжках более 3000 километров и нанесли на карту эти земли. Вскоре на архипелаге были построены первые полярные станции, связь с которыми обеспечивали постоянные авиалинии.
В 1932 г. было создано Главное управление Северного морского пути. Перед ним поставили задачу обеспечить народно-хозяйственное освоение Арктики и судоходство по Севморпути. На новую структуру возлагалась также задача организовать разведку полезных ископаемых. Первым руководителем Главсевморпути стал Отто Шмидт. В том же году он возглавил экспедицию, которая на ледокольном пароходе «Сибиряков» впервые прошла весь Севморпуть за одну навигацию.
В 1937 г. произошло сразу два исторических события. Советские летчики Валерий Чкалов и Михаил Громов впервые совершили беспосадочный перелет через Северный полюс из Москвы в Ванкувер. А под руководством полярника Ивана Папанина начала работать первая в мире дрейфующая исследовательская станция «Северный полюс».
В 1930–1940‐х гг. в СССР велось активное заселение и промышленное освоение Арктики. После окончания Великой Отечественной войны геологоразведочные работы возобновились в еще большем объеме. Для их координации в 1948 г. был создан Научно-исследовательский институт геологии Арктики.