В его дальнейшей жизни антарктические исследования занимают не меньше времени, чем служба на флоте. 9 июня 1900 года Клементс Маркем даёт письменное согласие на назначение Р. Скотта начальником Национальной Антарктической экспедиции, и он (видимо, начальство не против нового направления его деятельности) производится по службе в капитаны 2-го ранга и, в связи с новым назначением, освобождается от должности старшего офицера (старпома) «Маджестика».
В октябре Р. Скотт знакомится с Ф. Нансеном. Много времени отнимает у него наблюдение за постройкой экспедиционного судна «Дисковери». Наконец, в марте 1901 года судно спущено на воду и уже в августе с экспедицией на борту отправляется к берегам ледяного континента через остров Мадейру, Кейптаун и Новую Зеландию.
Первая антарктическая экспедиция Р. Скотта заняла три года и в общем была признана удачной. Экспедиция открыла Землю Короля Эдуарда VII — на современных картах полуостров Эдуарда VII — и с воздушного шара выполнила визуальную разведку пространства шельфового ледника Росса (Великого Ледяного Барьера, как называли ледник англичане) в окрестностях Китовой бухты. После первой зимовки в заливе Мак-Мёрдо в ноябре 1902 — феврале 1903 года удалось обследовать западный участок шельфового ледника Росса, примыкающий к горам на Земле Виктории, вплоть до 82°17′ ю. ш. В этом походе принимал участие ещё один моряк, ставший впоследствии видным полярным исследователем — Эрнст Шеклтон. Во время напряжённого путешествия на юг он заболел и был отправлен с ближайшим судном на родину. После второй зимовки были обследованы глубинные районы Земли Виктории. Отчёт об этой экспедиции под заголовком «Путешествие на „Дисковери“» вышел из печати уже в 1905 году. Так Роберт Скотт стал признанным полярным исследователем.
Снова началась служба на флоте, отмеченная в сентябре 1904 года производством в капитаны 1-го ранга. В 1906 году Р. Скотт становится командиром флагманского корабля эскадры адмирала Эджертона линкора «Викториес», а год спустя его в той же должности переводят на линкор «Элбемерл» в Атлантическую эскадру, где его ожидают неприятности: во время манёвров у берегов Португалии корабль столкнулся с линкором «Коммонуэлс», который вышел из строя. Тем не менее, судя по всему, начальство не видит в происшедшем вины Р. Скотта, и в 1908 году он получает в командование крейсер «Эссекс», а немного позднее — линкор «Булверк». В его личной жизни происходит также большое событие — моряк женится на мисс Кетлин Брюс, способной ученице Огюста Родена. В конце года Р. Скотт переходит на береговую службу в Адмиралтействе, чтобы активно начать подготовку к новой экспедиции в Антарктиду. Тем временем его спутник по экспедиции на «Дисковери» Эрнст Шеклтон предпринимает в 1908–1909 годах собственную экспедицию на шестой материк, причём с целью достижения Южного полюса. После зимовки в заливе Мак-Мёрдо Э. Шеклтон нашёл путь к полюсу через Трансантарктические горы по открытому им леднику Бирдмора, но достиг только 88°23′ ю. ш., откуда повернул к зимовочной базе на мысе Ройдс.