En 1914 fue llamado al servicio militar en la Armada Imperial Rusa.

En 1918-1920, Papanin participó en la Guerra civil rusa del lado de los bolcheviques en Ucrania y Crimea.

En 1920 fue enviado a Crimea para organizar una guerrilla contra las fuerzas de Piotr Wrangel.

[3]​ Entre 1934 y 1935 estuvo al mando de una estación polar en el Cabo Cheliuskin.

[4]​ Cuatro investigadores: Papanin, Ernst Krenkel, Evgeny Fedorov y Petr Shirshov aterrizaron en las placas de hielo a la deriva, en un avión pilotado por Mijaíl Vodopyanov.

Durante 234 días, el equipo de Papanin llevó a cabo una serie de experimentos y observaciones en la zona cercana al polo, hasta ser recogidos por los rompehielos "Murman" y "Taimyr".

En 1940 recibió una segunda condecoración como Héroe de la Unión Soviética, por organizar la expedición que rescató el rompehielos Sedovel, que se había quedado atrapado en el hielo durante 27 meses entre Groenlandia y las Islas Svalbard, en el paralelo 83.