По национальности норвежец. Родился в Христиании (ныне Осло). В 1880 году поступил в университет в Христиании. Еще будучи студентом стал интересоваться полярными исследованиями. В 1882 году воспользовался случаем и в качестве простого матроса совершил рейс на корабле «Викинг», оборудованном для охоты на тюленей. После возвращения из этого путешествия, Нансен поступил на работу в природоведческий музей города Берген.

В 1888 году на корабле «Язон», принадлежавшем копенгагенскому купцу Гамелу, Нансен поехал в Гренландию. Недалеко от острова, Нансен с пятью товарищами пересел на лодку и 17 июля 1888 года высадился на берегу Гренландии. Отсюда путешественники на лыжах прошли через ледяную пустыню в столицу Гренландии Годхоб. Это произошло 3 октября того же года.

Целью следующего путешествия Нансена был северный полюс. Норвежское правительство оказало Нансену финансовую помощь и он построил паровой корабль «Фрам» (оснащенный на всякий случай парусами). На этом корабле, 22 июня 1893 года Нансен с экипажем в несколько десятков человек вышел из порта Вадсё, взяв курс на северо-восток. В сентябре, находясь за мысом Челюскин, корабль был затерт льдами и лег в дрейф, причем ледяное поле несло его медленно по направлению к полюсу. 14 марта 1895 года Нансен, с одним из товарищей Иогансеном, оставил корабль и на санях пытался достичь северного полюса. Ему удалось дойти до 86° северной широты, то есть дальше, чем кому-нибудь до него. Отсюда, однако, Нансену пришлось вернуться. Обратный путь вел через Землю Франца-Иосифа, где путешественники остановились на зимовку. Весной они направились в дальнейший путь на юго-запад. На Баренцовом море они встретили британский корабль под командованием Фридриха Джексона и на этом корабле прибыли 13 августа 1896 года в Вадсё. Встретили их здесь с энтузиазмом. Спустя неделю, в порт Хаммерфест пришел «Фрам».

Нансен получил множество наград. Его назначили профессором университета в Христиании, а с 1901 года — руководителем Международной лаборатории морских исследований.

В 1900 году Нансен, желая уточнить гидрографические исследования совершил путешествие на корабле «Михаэл Саре» по морю между Норвегией и Гренландией.

Деятельность Нансена не ограничивалась полярными путешествиями — он активно занимался политикой (в 1906–1908 годах был норвежским посланником в Лондоне).

Норвегия, к счастью, не принимала участия в первой мировой войне, но это не мешало Нансену тщательно следить за международной политикой. После окончания войны он с особым усердием занялся вопросом обмена пленными, в особенности между Германией и Россией, то есть теми странами, в которых гражданская война мешала нормализации жизни. Усилия Нансена были плодотворными.

После того, как в 1920 году была организована Лига Наций, Нансен принял активное участие в работе этой организации. Он занялся оказанием помощи голодающим Поволжья. Ему пришлось преодолевать сопротивление со стороны ряда капиталистических государств, но это нисколько не уменьшило его усилий.

Нансен вел также борьбу за права людей, которые по политическим причинам вынуждены были оставить родину и не могли получить другого гражданства. В результате, для этих людей были введены так называемые нансеновские паспорта. В 1922 году за эту деятельность Нансен получил Ноблевскую премию мира.

Нансен в качестве представителя Норвегии принимал участие в работах комиссии Лиги Нации по разоружению в 1927 году. Умер Нансен спустя три года в норвежском городе Люсакер.

Нансен прославился, главным образом, за трехлетний дрейф «Фрама», так как он сумел практически использовать свои многолетние наблюдения над морскими течениями в Северном Ледовитом океане, и тем, что он ближе, чем другие в его время, подошел к северному полюсу. Исследования Нансена показали, что в северных морях, под толстым ледяным покровом, до значительной глубины, кипит органическая жизнь.

Нансен напечатал ряд трудов, в частности: «На лыжах через Гренландию», «Среди ночи и льда» и «Норвежская полярная экспедиция в 1893–1896 годах». Из его политических трудов следует упомянуть книгу: «Норвегия и уния со Швецией», где Нансен высказывается за ликвидацию унии. Имя Нансена носит пролив между островами Элсмир и Аксель Хейбер, к северу от Канады.