В 1934 году под его руководством появляется полярная станция и на мысе Челюскин. В 1937 году начала дрейфовать первая в мире станция на льдине «Северный полюс», которая прошла около 2 тыс. км и спустя почти год прибыла в Гренландское море. Её руководителем был Папанин.

За руководство этой станцией Папанин получил звание Героя Советского Союза и медаль «Золотая Звезда». В 1939 году исследователя назначают начальником Главсевморпути. На этом посту Папанин вплотную занялся созданием ледоколов. До начала Великой Отечественной войны он был повторно отмечен «Золотой звездой» и стал дважды Героем Советского Союза.

В годы войны Иван Дмитриевич внёс значительный вклад в организацию бесперебойного движения судов на трассе Северного морского пути, а также руководил коренной реконструкцией порта Петропавловск-Камчатский. Во время войны получил звание контр-адмирала.

Но после — здоровье не позволило остаться на посту начальника Главсевморпути. Папанин поселился в Москве и занялся океанологией и биологией внутренних вод. С 1951 года и до самой смерти он возглавлял отдел морских экспедиционных работ Академии наук. Также в 1937-1950 годах являлся депутатом Верховного Совета СССР.

Контр-адмирал, доктор географических наук, дважды Герой Советского Союза, кавалер многих отечественных и иностранных наград — Папанин был очень разносторонней личностью, он — автор научно-популярных книг «Жизнь на льдине» (1938) и «Лёд и пламень» (1977).

Скончался Иван Дмитриевич Папанин 30 января 1986 года в Москве, был похоронен на Новодевичьем кладбище столицы. Именем Папанина назван мыс на Таймырском полуострове, горы в Антарктиде, подводная гора в Тихом океане, Институт биологии внутренних вод РАН, улицы во многих городах России. Бюсты в его честь установлены Архангельске, Мурманске и Севастополе. Музей имени И.Д. Папанина расположен в посёлке Борок Ярославской области.