Путешествие на юг было длительным и сложным. «Дискавери» обнаружил течь и не мог двигаться со скоростью более семи узлов на всех парах. Однако судно успешно достигло Новой Зеландии, где удалось устранить течь и пополнить запасы. Экипаж продолжил движение на юг, к плавучим льдам и крайним южным широтам. Скотт и Шеклтон были первыми людьми, предпринявшими воздухоплавание в Антарктике, однако в воздушном шаре тоже обнаружилась течь, и им воспользовались лишь однажды.
Недостаток опыта выживания в полярных широтах сказывался во всём – от неумения управлять собачьей упряжкой и верно оценивать расстояния до сложностей в приготовлении пищи и защите от обморожений. Им пришлось буквально на лету вырабатывать жизненно необходимые навыки обитания в местности, где пот мгновенно замерзает, а метель может начаться в любую минуту. Тем не менее, проведя год на льду, из которого их корабль словно вырастал, они научились очень многому.
В ноябре 1902 года они предприняли бросок в сторону полюса, но попытка оказалась неудачной – заболели собаки. Команда Скотта впервые в истории человечества перешла за 80-ю параллель, за которой все карты были сплошным белым пятном. Им пришлось начать убивать слабеющих собак и скармливать их мясо другим, более сильным. У Шеклтона из-за недостатка витаминов в рационе появились первые признаки цинги, а Уилсон так сильно страдал от снежной слепоты, что вынужден был завязать глаза и ориентироваться по голосу Скотта. Попытка достичь полюса длилась девяносто три дня. 31 декабря, когда Скотт был вынужден дать приказ возвращаться, они находились в четырехстах восьмидесяти милях от полюса. На обратном пути погибло ещё несколько собак, но все люди выжили и были готовы к следующей попытке.
Корабль, осуществляющий поддержку экспедиции, «Морнинг» («Утро»), пополнил запасы команды и забрал домой нескольких её членов, включая Шекл-тона. Исследования продолжались, несмотря на температуру порядка -55 °C. «Дискавери» оказался значительно затёрт льдами, и, чтобы вывести его в открытое море, понадобились совместные усилия нескольких ледоколов и динамит. Команда вернулась в Портсмут в сентябре 1904 года. За выдающиеся достижения Скотт особым назначением Королевского флота был произведён в капитаны. Далее была череда выставок рисунков и минералогических образцов, лекций и поездок. Скотт стал настоящей знаменитостью. Был опубликован отчёт экспедиции в двух томах, богато проиллюстрированный замечательными рисунками Уилсона. Несмотря на относительный успех, правительство проигнорировало просьбы Скотта сохранить «Дискавери», и судно было продано.