Роден е на 10 октомври1861 година в имението Стуре Фрьон, недалеч от Осло, в семейство на секретар на окръжен съд. Още като юноша става първокласен скиор и нееднократно печели шампионатите на Норвегия по ски. След завършване на средното си образование постъпва в университета в Кристияния (сега Осло), във факултета по зоология.
Едва 20-годишен, през 1882 г. се отправя на биоложка практика на кораба „Викинг“ в Гренландско море, който ловува тюлени. Именно това плаване в Арктика има решаващо значение за по-нататъшната му дейност като полярен изследовател. След завършване на образованието си през 1883 г. става лаборант по зоология в Бергенския музей. От 1885 до 1886 г. работи в университета в Парма, Италия, при професор Голджи и в първата в Европа морска биоложка станция в Неапол. През 1886 г. е удостоен с голям златен медал на Кралската Академия на науките за своите изследвания по строежа на клетъчния апарат на нервната тъкан и получава докторска степен.
От 22 август до 29 септември 1888 г., заедно с Ото Свердруп и още четирима участници, изминава 560 км и пресича Гренландия на ски по 64º с.ш. от изток на запад. Пръв съставя подробна карта на южната част на острова. Събира богат материал за релефа, климата, характера на ледообразуването, растителния и животинския свят, етнографията, бита и обичаите на ескимосите. За постигнатите големи резултати е награден със златен медал „Виктори“ на Лондонското Кралско географско дружество и медал „Вега“ на Шведското дружество по антропология и география.
Експедиция в Арктика на кораба „Фрам“ (1893 – 1896)
За Нансен и неговата експедиция заговаря целият свят. Независимо от голямата му слава той продължава своите изследвания в новата наука океанология. До края на ХІХ в. изследва Атлантическия океан от Шпицберген до Азорските о-ви, изучава дрейфуващите ледове, дълбоководните морски течения, изобретява и усъвършенства прибори и апаратура за океанографски изследвания, издига смели научни хипотези.
През 1897 г. става професор по зоология в университета в Кристияния, без задължението да чете лекции. През 1900 г. участва в експедиция за изследване на теченията в Северния ледовит океан. Подвизите му го превръщат в национален герой и улесняват влизането му в политиката в началото на века.
Той работи за независимостта на Норвегия и става през 1905 г. първи дипломатически пратеник на страната в Лондон, пост, който заема до 1908 г. Завръща се в Норвегия и отново се отдава на науката. Смъртта на съпругата му, а след това и на големия му син са страшен удар за него. Приема да посети Русия и през 1913 г. плава покрай брега на Азия от запад на изток до устието на р. Енисей, след което продължава по суша в Южен Сибир и Далечния изток.
В последните години от живота си Нансен се отдава изцяло на активна обществена и политическа дейност. Горещ поддръжник е на ОН. По време на глада, който настъпва след Октомврийската революция, организира международна помощ. Като върховен комисар на ОН за бежанците оказва изключителна помощ на милионите руски и арменски бежанци. Неговите комитети подкрепят и завръщането на българите от Западна Тракия, депортирани от егейските острови, по време на Гръцко-турската война от 1919 – 1922. За тези си заслуги получава Нобелова награда за мир през 1922, парите от която изпраща за построяването на селскостопански станции в Поволжието и Украйна и оказване на помощ на гръцките бежанци.
Инициира и създава през 1927 г. международното дружество „Аероарктик“ и става негов пожизнен президент. Независимо че е на 65 г., той се кани да лети с дирижабъл към Северния полюс.
Умира на 13 май1930 г. в градчето Люсакар, недалеч от Осло, на 68-годишна възраст.