A bolsevik hatalom megszilárdulása után a Fekete-tengeri Flottánál volt komisszár, de a megtapasztalt igazságtalanságok kiábrándították, otthagyta a hadsereget. 1922-től Moszkvában a hírközlés és a posta területén dolgozott, 1925 és 1928 között a szibériai Jakutföldön épített rádióállomásokat. Jóllehet a Föld egyik legfagyosabb vidékén sokat nélkülözött, beleszeretett az északi tájakba, és 1931-ben önként jelentkezett a Ferenc József-földre vezetett expedícióba. AMaligin jégtörő fedélzetén utazott az Északi-sarkhoz közel fekvő, 1873-ban osztrák-magyar expedíció által felfedezett szigetekre, ahol obszervatóriumot építettek. A Ferenc József-földön telelő kutatócsoport vezetője volt 1932-1933-ban, majd két éven keresztül irányította az Eurázsia legészakibb pontján, a Cseljuszkin-fokon működő megfigyelőállomást.

A szovjet kormány a harmincas évek elejétől egyre élénkebben kutatta a Murmanszkból Szibéria északi partjai mellett Vlagyivosztokba vezető tengeri utat, ebből a célból hozták létre az Északi Tengeri Út Főigazgatóságát (Glavszevmorputy). A mostoha körülmények miatt a Jeges-tengeren csaknem lehetetlen volt az állandó hajózás, 1934-ben a Cseljabinszk jégtörő léket kapott, személyzetet légi úton kellett kimenteni. Volt olyan év, amikor az útnak indított 69 hajóból 25 a jég fogságába esett. A feldühödött Sztálin a vezetőséget lágerbe küldte, de belátta, hogy égető szükség van az északi sarkvidék tengereinek, meteorológiai és hidrológiai viszonyainak, a jégmezők mozgásának tudományos vizsgálatára.

A cél érdekében úgy döntöttek, hogy kutatóállomást telepítenek egy mozgó jégtáblára. A négyfős expedíció vezetésével Papanyint bízták meg, társa Ernszt Krenkel rádiós, Pjotr Sirsov hidrobiológus-oceanográfus és Jevgenyij Fjodorov csillagász-geofizikus lett. Miután a Ferenc József-föld legészakibb tagján, a Rudolf-szigeten létesített repülőbázisról felszállt Pavel Golovin (a Cseljabinszk-mentőexpedíció vezetője) a feltételeket kedvezőnek minősítette, 1937. május 21-én egy repülőgép a helyszínre szállította a négy kutatót és felszerelésüket.

Az Északi Sark-1 Állomást, a vizsgálatok elvégzésére kialakított különleges sátrat az Északi-sarkkör közelében, egy négyezer négyzetméter alapterületű jégtáblán állították fel. A rendszeres beosztással végzett napi megfigyelés mellett a kutatókra számos veszély leselkedett, a dermesztő hideg és az alattuk repedező jégtábla is éberséget követelt tőlük. Legnagyobb meglepetésükre a zord körülmények között számos jegesmedvét, fókát és más állatot láttak, ami cáfolta azt a feltevést, hogy az északi pólus táján már nincs élet. A csapat 1938 februárjáig csaknem 2500 km-t tett meg a jégtáblán, amelynek alapterülete 500 négyzetméterre csökkent, így a tervezettnél előbb ki kellett menekíteni őket. Az értük küldött első hajó elakadt a jégben, az ezt követően felszállt léghajó nem érte el őket, két tengeralattjáró nem tudott a jégtől a felszínre emelkedni, végül a Tajmir nevű jégtörőre sikerült átszállniuk.

Munkájuk során megállapították, hogy az Atlanti-óceánból származó meleg vizek a Grönlandi-tenger felől egészen a sarkig eljutnak. Elsőként figyelték meg a felső, 200 méteres vízrétegek szél hatására történő mozgását, illetve meghatározták a sodródás vonalán a mágneses elhajlás nagyságát. Hazatérésük után valamennyien megkapták a Szovjetunió Hőse címet és a földrajzi tudományok doktora tudományos fokozatot. A munka tudományos igényű feldolgozása a második világháború kitörése miatt csak 1944-ben jelent meg.

Papanyin 1940-ben a jég fogságába esett Szedov jégtörő kiszabadításáért másodszor is a Szovjetunió Hőse lett. A háború alatt az északi hajózási kereskedelmi utak fenntartásáért volt felelős tengernagyi rangban, neki kellett biztosítania, hogy az amerikai segélyeket szállító hajók biztonságban elérjék Murmanszkot.

1948-tól 1951-ig vezette az Oceanológiai Intézetet, majd 1951-től 1986. január 30-án bekövetkezett haláláig a Szovjet Tudományos Akadémia tengeri expedíciókkal foglalkozó osztályát igazgatta. Kiemelkedő munkája elismeréseként nyolcszor vehette át a Lenin-érdemrendet, kétszer a Vörös Zászló-érdemrendet, egyszer-egyszer a Munka Vörös Zászló-, az Októberi Forradalom- és a Vörös Csillag-érdemrendet. Az Északi Sark-1 expedícióról könyvet írt, amely 1959-ben Úszó jégtábláncímmel jelent meg magyarul. Nevét viseli egy hegyvonulat az Antarktiszon, egy tenger alatti hegyvonulat a Csendes-óceánban, egy hegyfok a Tajmir-félszigeten és egy orosz jégtörő hajó.