I 1928 startet Byrd sin første ekspedisjon til Antarktis. Ekspedisjonen omfattet fartøyene DS «The City of New York» og «Eleanor Bolling» samt tre fly. En base ble opprettet i Hvalbukta på Rossbarrieren, og de startet vitenskapelige ekspedisjoner med hundeslede, snowmobile, og fly. Fotografiske ekspedisjoner og geologiske undersøkelser ble foretatt gjennom den antarktiske sommeren. Ekspedisjonen hadde konstant radioforbindelse med omverdenen.
Etter sin første vinter i basen ble ekspedisjonen gjenopptatt og den berømte flyvningen mot Sydpolen og tilbake startet. Byrd, sammen med sin co-pilot/navigatør Bernt Balchen, co-pilot/radioman Harold June, og fotograf Ashley McKinley, fløy den 28. november 1929 «Floyd Bennett» til Sydpolen og tilbake i løpet av 18 timer, 41 minutter. De hadde vanskeligheter med å få tilstrekkelig høyde for å nå opp til Polplatået og måtte dumpe tomme bensintønner, såvel som all reserveproviant. Turen ble gjennomført med hell og førte Byrd inn i historiebøkene. Etter nok en sommer returnerte ekspedisjonen den 18. juni, 1930.
Den 21. desember 1929 utnevnte Kongressen i USA Byrd til kontreadmiral, bare 41 år gammel. Han ble den yngste admiralen i landets historie.