19 июля альпинистская группа обсудила свои планы. 23 июля она прибыла в Ташкент, откуда почти сразу же отправилась в Андижан. Местом сбора экспедиции было намечено верховье реки Танымас, где предполагалось существование большого неисследованного ледника.
Целую неделю путешественники исследовали этот ледник и примыкающие к нему области. Далее экспедиция направилась в совершено неисследованную область реки Танымас и ее верховьев.
В основной лагерь около ледника Муз-Кулак (теперь носящий название Грумм-Гржимайло) экспедиция прибыла 15 августа. Лагерь со складами продовольствия располагался между двумя ледниками.
Месторасположение первого лагеря было выбрано не случайно, ибо лошади выше уже не могли подняться. С него открывалась и прекрасная панорама гор.
Альпинисты, получив свое задание, работали увлеченно и напряженно. Результаты работы группы О.Ю. Шмидта были успешными: обнаружены и пересечены «бывшие» перевалы Каша-Аяк и Танымас, открыты верховья рек Ванч и Язгулем, обследован ледник Федченко, один из величайших в мире (его протяженность составляет 72–74 км). Альпинисты с участием Шмидта установили и новый для страны рекорд — два подъема на высоту 6000 м. Отто Юльевич также дал рекомендации по разработке маршрута для экскурсий на ледник Федченко.
Возвратившись с Памира, Отто Юльевич стал готовиться к новым путешествиям. На сей раз он задумал исследовать Арктику. Мечта осуществилась — первое знакомство Шмидта с Арктикой произошло в 1929 году.
Он был назначен начальником новой Арктической экспедиции Института по изучению Севера, созданного в 1925 году на базе Северной научно-промысловой экспедиции ВСНХ. Перед Арктической экспедицией поставили задачу создать на Земле Франца-Иосифа метеорологическую станцию с радиопередатчиком и оставить там зимовщиков. Станция давала возможность более точно прогнозировать погоду по стране. Кроме того, требовалось закрепить принадлежность Земли Франца-Иосифа СССР, для чего планировалось построить геофизическую обсерваторию и водрузить на ней советский флаг.
21 июля 1929 года экспедиция отбыла из города Архангельска на ледоколе «Г. Седов». Начало плавания было довольно удачным, но уже 22 июля корабль начал входить в лед, который по мере продвижения становился все более плотным. Из-за этого судно приходилось часто останавливать, однако 28 июля первый этап плавания был благополучно пройден. К утру 29 июля корабль находился около берегов острова Гукер, у входа в пролив де-Брюйне. Наконец, показалась и Земля Франца-Иосифа.
Начиная с этой экспедиции рейсы на Землю Франца-Иосифа стали носить регулярный характер. Параллельно изучались районы Баренцева моря.
В 1930 году было принято решение организовать еще одну экспедицию в Северные земли. По пути планировалось сменить зимовщиков на Земле Франца-Иосифа.
Отто Юльевич вновь был назначен начальником экспедиции, параллельно за ним сохранялись полномочия правительственного комиссара Земли Франца-Иосифа и распространялись на Северную Землю и остров Уединения, а также на другие острова, которые удастся открыть во время экспедиции.
Путешественники вновь отправились в путь на пароходе «Г. Седов». Они высаживались на мысе Флора, островах Белл и Альджер. Прибыв на Землю Франца-Иосифа, Отто Юльевич понял, что зимовка была значительно расширена.
Проведенные в ходе экспедиции многочисленные наблюдения на Земле Франца-Иосифа и на Северной Земле позволили получить большой научный материал. Например, один из участников экспедиции, профессор Б.Л. Исаченко, установил, что на Севере нет бактерий.
В 1932 году О.Ю. Шмидт возглавил еще одну экспедицию, на этот раз на ледоколе «Сибиряков». Идея эта возникла еще во время плавания на «Г. Седове» в 1930 году. Путешествие должно было состояться по маршруту Архангельск — Владивосток. Этот путь планировалось пройти без зимовки.
«Сибиряков» отплыл из Архангельска и довольно быстро прибыл к Новой Земле; затем прошел Карским морем и направился к Северной Земле. 15 августа «Сибиряков» обогнул Северную Землю с севера. Конечно, пробиваться приходилось через плотный лед, однако научная работа не прекращалась: измеряли глубины, проводили химический анализ воды, изучали растительный и животный мир, а также морские течения, характер отложений на дне, структуру льда и т.д.
Во время плавания тяжелые льды сломали лопасти винта и гребной вал. Казалось, зимовка неизбежна, однако в конце концов Северный Ледовитый океан был благополучно пройден, а в Тихом океане пострадавший корабль уже взял на буксир тральщик «Уссуриец».