Er erreichte als erster am 9. Mai 1926 von Spitzbergen aus mit dem Flugzeug den Nordpol . Er kam damit dem Italiener Umberto Nobile um drei Tage zuvor der den u.a. mit dem Polarforscher Roald Amundsen an Bord in seinem Luftschiff Italia ansteuerte.
Auf seiner 1. Antarktisexpediton ( 1928 - 1930 ) gelang ihm am 28. November / 29. November 1929 der erste Überflug des Südpols . Er leitete drei weitere Expeditionen ( 1933 - 1935 1939 - 1941 1946 - 1947 ) nach Antarktika auf denen die Erforschung und Aufnahme der gesamten Küste und großer Inlandteile gelang. Byrd entdeckte dabei das Marie-Byrd-Land die Edsel-Ford-Range das Rockefeller-Plateau. (Standquartier LITTLE AMERIKA auf dem - Schelfeis ). Seine letzte Expedition war die bis größte in der Geschichte der Antarktis und zugleich ein Manöver der US-Navy mit 4000 Mann und zahlreichen Kriegs- Zivilschiffen. Unmittelbar vor seinem Tod leitete Byrd noch die Vorbereitungen der USA für das bevorstehende Internationale Geophysikalische Jahr .