W lipcu 1896 roku de Gerlache zakupił dawny norweski statek wielorybniczy Patria, który został przemianowany na „Belgica”. De Gerlache zaczął organizować wyprawę i zebrał międzynarodową załogą. Amundsen został zaangażowany jako drugi oficer. W wyprawie brał udział również amerykański lekarz Frederick Albert Cook (1865–1940), z którym Amundsen się zaprzyjaźnił. W 1897 roku „Belgica” popłynęła na południe wzdłuż wybrzeży Ameryki Południowej i Półwyspu Antarktycznego, docierając na Antarktydę. Po półrocznym rejsie statek został unieruchomiony w krze lodowej na Morzu Bellingshausena, a uczestnicy wyprawy zostali zmuszeni do spędzenia zimy w bardzo niesprzyjających warunkach. Kierownictwo wyprawy miało problemy z radzeniem sobie z sytuacją, z izolacją, mrozem i ciemnością. Uczestnicy zdradzali objawy szkorbutu i depresji, a Emile Danco zmarł z powodu problemów z sercem. Dzięki Cookowi, wspieranemu przez Amundsena, wyprawa została uratowana przez dietę z surowego mięsa fok i pingwinów oraz zastosowania terapii światłem i ciepłem. Amundsen wraz z Cookiem przetestował wówczas również różnego rodzaju sprzęt, m.in. śpiwory, namioty, narty i sanki. Było to pierwsze udane zimowanie w rejonie Antarktydy, a wyprawa zebrała wiedzę kluczową dla dalszych badań antarktycznych w zakresie geologii, meteorologii, glacjologii i oceanografii.