В течение трех лет Папанин возглавляет крупные полярные станции. Под его руководством проведено строительство образцовых советских полярных станций: в бухте Тихой, затем на мысе Челюскин. В суровых полярных условиях, где от людей требовались великое мужество и железная выдержка, широко развернулась кипучая энергия Папанина. Уже тогда он приобрел большую известность как опытный полярный исследователь и прекрасный организатор. Поэтому не случайно, когда возникла идея высадки на льды Центрального полярного бассейна научной станции, на Папанина пал выбор как на руководителя этой станции.
Страна по заслугам высоко оценила труд завоевателей Северного полюса — Папанина и его товарищей. Каждому из них было присвоено звание Героя Советского Союза и присуждено ученое звание доктора географических наук.
В 1938 году Папанин назначается заместителем начальника Главного управления Северного морского пути при Совете народных комиссаров СССР, а в 1939 году — начальником Главсевморпути, и он принимает на себя руководство всей научной и хозяйственной работой по освоению советской Арктики и Северного морского пути. Под руководством Папанина была проведена большая работа по дальнейшему изучению и освоению советскими полярниками Арктики и по развитию нормального судоходства на трассе Северного морского пути.
Этот период деятельности Главсевморпути ознаменован вводом в строй мощных ледоколов и транспортных судов, строительством механизированных арктических портов, увеличением числа полярных станций и научных обсерваторий на побережье и на островах Северного Ледовитого океана, прокладкой новых воздушных трасс над арктическими просторами, широкой разведкой минеральных богатств советского Заполярья и организацией промышленного освоения новых заполярных районов. Эту созидательную работу выполнил многотысячный коллектив полярников, проводивший наступление на Арктику широким фронтом от Мурманска до Чукотки, от Баренцева до Берингова моря. Многие из них уже имели за плечами большой полярный опыт, другие же пришли в Арктику по комсомольскому призыву. Большую воспитательную и организаторскую работу в этих коллективах проводили политотделы, созданные во всех крупных арктических организациях и на предприятиях. Главным командиром этой многотысячной армии советских полярников в 1938–1946 годах являлся И. Д. Папанин.
В 1940 году Главсевморпути по заданию правительства организует экспедицию по выводу из льдов Арктики ледокольного парохода «Георгий Седов», экипаж которого в течение двадцати семи месяцев дрейфовал в Северном Ледовитом океане. Эта сложная экспедиция поручается Ивану Дмитриевичу, который в трудных зимних условиях организовал вывод корабля из льдов Гренландского моря. За успешное выполнение этого задания и проявленные при этом героизм и мужество Иван Дмитриевич в 1940 году был удостоен звания Дважды Героя Советского Союза.