В 1525 г. русский переводчик, дипломат Дмитрий Герасимов, посланный великим князем Василием III в Рим, впервые высказал мысль о вероятном существовании водного пути, пролегающего вдоль северных берегов Европы и Азии. Карта, нарисованная Д. Герасимовым, считается самой древней картой Северного Ледовитого океана. Англичане и голландцы подхватили идею Герасимова и снарядили несколько экспедиций, но ни одна из них дальше западных районов Карского моря не прошла. Первая английская экспедиция вышла в плавание в 1553 г. из Лондона на трех небольших парусных судах. Во время сильной бури у мыса Нордкап корабли потеряли друг друга. Два из них прошли до Новой Земли, откуда повернули обратно и встали у Мурманского берега. Первая зимовка европейцев в Северном Ледовитом океане окончилась трагически – весь личный состав обоих судов (65 чел.) погиб от холода и голода.
В 1596 г. голландское судно под командованием Я. Гемскерка и В. Баренца успешно достигло северного берега Новой Земли. Мореплаватели искали путь в страны Востока, но их судно было затерто льдами в бухте, названной ими Ледяной Гаванью. Моряки перешли на берег, соорудили дом. Несколько человек вскоре умерло. Баренц и многие другие заболели цингой. С наступлением лета голландцы бросили вмороженное во льды судно и по прибрежной полосе чистой воды вышли на двух шлюпках на юг (в этот момент скончался Баренц). У острова Междушарского их заметили русские поморы, снабдившие моряков продуктами. 2 сентября 1597 г. голландцы благополучно прибыли в Колу, а оттуда на попутном корабле вернулись в Амстердам.
В то же самое время поморы, используя притоки сибирских рек, переходили с Оби на Енисей и Лену, совершали плавания вдоль берегов Северного Ледовитого океана. Таким образом был открыт морской путь из устья Енисея на Пясину, на запад – из устья Лены к рекам Оленек и Анабар, на восток – к рекам Яна, Индигирка и Колыма. В 1648 г. мореходы под предводительством «торгового человека» Ф.А. Попова (Федота Алексеева) и казачьего атамана С.И. Дежнева обошли на кочах (палубное одномачтовое парусно-гребное судно, используемое поморами) Чукотский полуостров и вышли в Тихий океан. В 1686–1688 гг. торговая экспедиция Ивана Толстоухова на трех кочах вышла в море и обогнула с запада на восток Таймырский полуостров. За столетие с небольшим поморы прошли отдельными участками весь Северный морской путь.
В 1733–1742 гг. в Северном Ледовитом океане работала Великая Северная экспедиция. За 9 лет она прошла почти весь Северный морской путь – от Архангельска на западе до мыса Большой Баранов на востоке, выполнила на всем протяжении гидрографическую опись, составила карты. Большой вклад в изучение восточного участка Северного морского пути внесли русские мореплаватели Ф.П. Врангель (1796–1870) и Ф.Ф. Матюшкин (1799–1872). В 1820–1824 гг. они обследовали и нанесли на карту материковый берег от устья Колымы до Колючинской губы и совершили в этом районе четыре беспримерных похода по дрейфующим льдам.
В 1873 г. Австро-Венгерская экспедиция под руководством К. Вайпрехта и Ю. Пайера на судне «Тегетгоф» открыла на севере Баренцева моря архипелаг, который назвала Землей Франца-Иосифа, подтвердив предположение русского моряка Н.Г. Шиллинга, высказанное в 1865 г., о том, что «между Шпицбергеном и Новой Землей есть еще не открытая суша, которая простирается к северу дальше Шпицбергена».
Новый этап в исследовании Северного Ледовитого океана связан с именем знаменитого мореплавателя адмирала С.О. Макарова (1849–1904). В 1899 г. по его инициативе в Англии построили первый в мире мощный ледокол «Ермак», который предполагалось использовать для регулярного сообщения с Обью и Енисеем через Карское море, а также для научных исследований океана. Выдающихся результатов достигла русская «Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана» (1910–1915) на двух ледокольных пароходах – «Таймыр» и «Вайгач». За 3 года ее участники сделали детальную гидрографическую опись от мыса Дежнева до устья Лены и поставили на побережье навигационные знаки. В 1913 г. принято решение продолжить гидрографическую опись до Таймырского полуострова и при благоприятных условиях пройти по Северному морскому пути до нынешнего Мурманска. Но мыс Челюскина оказался блокирован невзломанными льдами. Тогда участники экспедиции решили обойти льды с севера. 3 сентября моряки сделали крупнейшее географическое открытие XX в., пройдя вдоль восточного берега ранее неизвестной земли (позднее ее назвали Северной Землей).
Но, несмотря на это и другие важные научные открытия, Северный Ледовитый океан в целом оставался малоизученным. Его планомерное изучение началось в советское время, когда исследование и практическое освоение Северного морского пути было объявлено задачей государственной важности. В 1920 г. в Архангельске была снаряжена Сибирская хлебная экспедиция в устья Оби и Енисея под руководством мореплавателя М.В. Николаева. Она положила начало систематическим плаваниям на западном участке Северного морского пути, а затем и на всем его протяжении.
В 1928 г. итальянская экспедиция Умберто Нобиле (1885–1978) пролетела на дирижабле «Италия» со Шпицбергена до полюса. На обратном пути дирижабль потерпел катастрофу. Из 16 участников экспедиции 8 погибли, а оставшиеся в живых терпели бедствие на дрейфующих льдах к северу от Шпицбергена. Советский Союз, Италия, Норвегия, Финляндия, Франция и Швеция участвовали в спасательных работах. Успеха достигли советские моряки, члены экипажа ледокола «Красин», капитаном которого был К.П. Эгге (в 1931 г. репрессирован). Возглавлял экспедицию известный арктический исследователь Р.Л. Самойлович (1881–1940).
В 1930 г. экспедиция О.Ю. Шмидта (1891–1956) впервые в истории арктического мореплавания прошла на ледоколе «Георгий Седов» из Баренцева моря через северные районы Карского моря к западным берегам Северной Земли.
В феврале 1934 г. был раздавлен льдами и затонул экспедиционный пароход «Челюскин». В разгар арктической зимы на дрейфующей льдине оказалось 104 чел., из них 10 женщин и двое детей. Через 2 мес. их спасли советские летчики. Эта катастрофа невольно доказала возможность жизни и проведения научных исследований на дрейфующих льдах, что самолет – самый надежный транспорт для доставки дрейфующей станции на Северный полюс.
Весной 1937 г. самолеты доставили на льдину в районе Северного полюса экспедицию под руководством И.Д. Папанина (1894–1986). За 274 дня дрейфа папанинская станция «Северный полюс» прошла 2050 км и была эвакуирована ледокольными пароходами «Таймыр» и «Мурман» 19 февраля 1938 г.
Во время Второй мировой войны немецкое командование предпринимало попытки помешать функционированию Северного морского пути, разработав в 1942 г. операцию «Вундерланд» («Страна чудес»). Однако их усилия не увенчались успехом.
В послевоенные годы в связи с быстрым развитием алмазной промышленности в Якутии, увеличением добычи золота и других ценных металлов на Чукотке, обнаружением богатейших запасов нефти и природного газа на Обском Севере, а также расширением заготовки экспортного леса на Енисее транспортные перевозки по Северному морскому пути значительно увеличились, что потребовало дальнейшего изучения Северного Ледовитого океана и впадающих в него рек.
Арктический флот постоянно совершенствовался, пополняясь мощными ледоколами и крупнотоннажными транспортными судами ледокольного типа.
Ныне основные российские пользователи Северного морского пути – ГМК «Норильский никель», «Газпром», «Лукойл», «Роснефть», «Росшельф», Красноярский край, Саха, Чукотка. В настоящее время сопровождение грузоперевозок в Арктике обеспечивают 6 атомных и 5 дизель-электрических ледоколов. Основная проблема – нехватка средств на обновление флота. На строительство атомного ледокола нового поколения требуется 7-10 лет. К 2015–2020 гг. необходимо построить 4 универсальных атомных ледокола, 12 линейных дизельных ледоколов, 9 вспомогательных и 11 портовых дизельных ледоколов.