Итоги двух экспедиций доказали возможность проведения арктических исследований на ледоколах. Стало ясно, что они значительно эффективнее любого другого вида транспорта, в том числе очень модных в то время дирижаблей. Экспедиции Шмидта вывели СССР на первое место среди стран, занимающихся полярными исследованиями. Учитывая это, советское правительство осенью 1930 г. приняло решение на базе Института по изучению Севера создать Всесоюзный Арктический институт. Его директором был назначен Шмидт.

Еще во время путешествия 1930 г. Шмидт загорелся идеей пройти Северным морским путем за одну навигацию. В конце июля 1932 г. в рамках Международного полярного года на ледоколе «Сибиряков» он отправился из Архангельска во Владивосток.

Путь, на который в свое время Норденшельд затратил 2 года, «Сибиряков» прошел за 2 месяца и 4 дня. Впрочем, ледоколу тоже пришлось нелегко. В пути был потерян винт и сломан гребной вал. Одно время казалось, что «Сибиряков» вмерзнет в лед, однако команда сумела устранить неисправности, и путешествие закончилось благополучно.

Экспедиция доказала, что по Северному морскому пути можно наладить постоянное сообщение. С этой целью было создано Главное управление Северного морского пути (Главсевморпуть), начальником которого стал Шмидт. В его распоряжении наряду с Арктическим институтом были 4 ледокола. Началось хозяйственное освоение пути; были продолжены и научные разработки.

В 1933 г. было решено повторить маршрут «Сибирякова», на этот раз на пароходе, приспособленном к плаванию во льдах. В связи с этим советские люди и весь мир пережили знаменитую эпопею по спасению людей с затертого льдами «Челюскина». Непосредственное участие в этом походе принимал и Шмидт.

«Челюскин» был большим грузовым пароходом, приспособленным для плавания во льдах. Но он не имел мощности «Сибирякова» или «Седова». Кроме того, корабль только что сошел с верфей Дании и еще ни разу не бывал в плавании. Уже во время перехода до Мурманска выяснилось, что он слишком широк для своего водоизмещения (7500 т), а потому подвержен сильной качке.

В составе экипажа было много женщин и даже дети. Шмидт, считавший, что в таких экспедициях непременно должны участвовать представители печати, литературы и искусства, пригласил на «Челюскин» поэта И. Сельвинского.

12 июня судно вышло из Ленинграда, миновало Копенгаген, Мурманск и спокойно прошло Баренцевым морем в Карское. Здесь у жены геодезиста В. Васильева, плывшей с мужем на зимовку к о. Врангеля, родилась дочь. Девочку назвали Кариной. Так родители хотели подчеркнуть необычность обстановки появления ребенка на свет, имея в виду Карское море. К о. Врангеля корабль подойти не смог, и было решено сначала дойти до Берингова пролива, а уже потом высадить зимовщиков.

Вскоре начались тяжелые льды, которые все плотнее обступали корабль. Поэтому когда к «Челюскину» на собачьих упряжках подошли чукчи, Шмидт отправил с ними 8 человек на мыс Дежнёва, где, как было известно, находился ледорез «Федор Литке».

Вскоре «Челюскин» окончательно вмерз в лед и начал дрейфовать. Возле мыса Дежнёва Шмидт запросил «Литке» о помощи, но ледорез не смог пробиться сквозь льды. 13 февраля сжатие льдов прошло как раз через место, где стоял «Челюскин». Корпус корабля не выдержал. В авральном порядке начали выгружать на лед все, что могло поддержать жизнь экипажа до прихода помощи. Нужные грузы заблаговременно были сложены на палубе. Разгрузка происходила быстро, но корабль стремительно погружался в воду. Когда корма резко поднялась, завхоз экспедиции Б. Могилевич не удержал равновесие и упал в воду. На поверхности он так и не появился.

После того как «Челюскин» окончательно скрылся под водой, на льдине остались 104 человека. В ледяном лагере в условиях полярной ночи им пришлось провести 2 месяца. Однажды трещина пролегла через место расположения лагеря. Но полярникам повезло: льды вновь сплотились, и экспедиция избежала разделения. Несмотря на постоянную опасность, полярники продолжали вести научные наблюдения. Шмидт старался поддержать моральный дух людей: в свободное время он, используя свою громадную эрудицию, рассказывал обо всем на свете – от истории Южной Америки до теории психоанализа З. Фрейда.

Через несколько дней после сообщения о гибели судна была сформирована правительственная комиссия для организации спасения челюскинцев. Были мобилизованы лучшие летчики и технические средства. 5 марта А. Ляпидевский с третьей попытки посадил самолет на льдину. Сразу же удалось эвакуировать 10 женщин и двух детей, в том числе грудную Карину. Потом начали прилетать другие самолеты. В начале апреля Шмидта с высокой температурой, несмотря на его протесты, срочно эвакуировали на Аляску. На материк он был отправлен 76-м по счету. Последним, 104-м, 13 апреля поднялся в самолет капитан «Челюскина» В. Воронин.

Несмотря на неудачу «Челюскина», попытки плавания по Севморпути судов неледокольного типа были продолжены. В 1936 г. Шмидту было поручено провести из Ленинграда во Владивосток несколько военных кораблей, совсем не приспособленных для плавания во льдах. Для решения этой чрезвычайно сложной задачи были использованы ледорез «Литке» и ледоколы «Ермак», «Ленин», «Садко», «Сибиряков» и «Седов». Несмотря на чрезвычайно сложную ледовую обстановку и густые туманы, караван благополучно прошел маршрут за период с 31 июля по 24 сентября.

Длительное пребывание на льдине после гибели «Челюскина» позволило Шмидту сделать вывод о возможности организации дрейфующей станции. Такого рода экспедицию было решено совместить с посадкой самолетов на полюсе. Об обстоятельствах этой экспедиции подробно рассказано в очерке об И. Папанине. Здесь же уместно подчеркнуть, что она явилась первым систематическим изучением района Северного полюса и дала толчок исследованиям, продолжавшимся в Арктике еще около четверти века. Одновременно она стала и последним путешествием Шмидта, в очередной раз сменившего область деятельности.

В 1937 г. ученого назначили директором только что созданного по его предложению Института теоретической геофизики. Здесь он занялся разработкой оригинальной космогонической теории. Шмидт предполагал, что планеты Солнечной системы образовались в результате конденсации околосолнечного газово-пылевого облака. Кроме того, Отто Юлиевич с 1939 по 1941 г. состоял вице-президентом АН СССР. Ее президентом был в то время академик В. Комаров. В 1941 г., когда Академия наук была эвакуирована в Казань, больной Комаров, находившийся в Свердловске, оказался в некоторой изоляции. Напористый и энергичный Шмидт взял дело в свои руки, на заседании президиума провел резолюцию, обеспечивающую ему право единоличного руководства, и вовремя не согласовал с президентом план перестройки работы Академии в связи с военным временем. Комаров затаил обиду и пожаловался Сталину. Вскоре Отто Юлиевича сняли с поста вице-президента и вывели из состава президиума Академии наук. Занявший его место академик А. Иоффе на первом же заседании в знак уважения к своему предшественнику оставил председательское место свободным.

Однако работа ученого в Академии наук на этом не прекратилась. Он продолжал руководить Геофизическим институтом, был членом Комиссии по физическим методам разведки полезных ископаемых, участвовал в экспертной комиссии по выборам в Академию. Однако силы постепенно оставляли Шмидта. Из-за тяжелой формы туберкулеза ученый в последние годы часто оставался в постели и вынужден был даже принимать так посетителей. Он умер 7 сентября 1956 г. В день похорон Отто Юлиевича над полярными станциями были подняты траурные красно-черные флаги, гудели сирены кораблей ледового флота, путь которым был проложен во многом благодаря усилиям неутомимого Шмидта.