Работы в Арктике позволили ему выявить закономерности в сезонных колебаниях планктона, развить идею о планктоне как индикаторе ледового режима моря. Показал, что бурное развитие водорослей, «цветение», у кромки льдов обусловлено в основном не таянием льдов, а вскрытием ледового покрова, что облегчает проникновение солнечной радиации под лед. Определил продолжительность «весеннего цветения» водорослей – 15–20 дней, а всего вегетационного периода – 1–1,5 месяца.
В 1937–1938 гг. участвовал как гидролог, гидробиолог и врач совместно с Папаниным И.Д. (руководитель), Фёдоровым Е.К. (геофизик) и Кренкелем Э.Т. (радист) в работе первой советской научно-исследовательской дрейфующей станции «Северный полюс-1» (СП-1), за исследования на которой удостоен звания Героя Советского Союза (1938) и степени доктора географических наук (1937). 29 января 1939 г. избран действительным членом Академии наук СССР по отделению математических и естественных наук (океанография, гидробиология).
Научные исследования посвящены изучению гидрологического режима Северного Ледовитого океана, растительного планктона полярных морей. Опроверг ошибочные представления о безжизненности Северного Ледовитого океана в высоких широтах. Установил ряд закономерностей распространения теплых из Северной Атлантики вглубь Арктического бассейна. Во время дрейфа станции «Северный полюс» от полюса до выноса ее в Гренландское море помимо гидробиологических исследований проводил наблюдения за скоростью и направлением подледных течений, гидрохимическим составом водных масс, составом и распределением планктона. Создал новые, по тому времени, представления о происхождении глубинных арктических вод, взаимодействии водных масс океана, структуре поверхностного слоя, развитии жизни подо льдом, геоморфологии донных осадков Полярного бассейна. Выполненная им программа наблюдений по объему и качеству исследований до настоящего времени является образцом для любого естествоиспытателя. Его исследования и наблюдения фитопланктона арктических морей, не утратили актуальности в настоящее время, так как отражают состояние планктона в Арктике в то время, когда еще не ощущалось воздействие промышленных загрязнений на окружающую среду, тем самым являются фоновыми для прогнозов о динамике изменений, происходящих в арктической биоте, подверженной стрессу современных загрязнений.
В 1939–1942 гг. – первый заместитель председателя Главного управления Севморпути при СНК СССР. В январе 1941 г. организатор и руководитель лаборатории океанологии при Отделении геолого-географических наук АН СССР (ОГГН АН СССР), первого учреждения в СССР, поставившего задачу всестороннего изучения Мирового океана. С осени 1941 г. – уполномоченный Государственного Комитета Обороны СССР по Горьковской и четырем другим железным дорогам восточного направления, где координировал работу на транспорте, связанную с эвакуацией населения, оборудования фабрик, заводов, культурных ценностей, а также переброской воинских частей на фронт. С 1942 г. по 1948 г. – народный комиссар, затем министр Морского флота СССР. В 1946–1950 гг. – председатель Тихоокеанского научного комитета.
