На початок ХХ ст. майже всі райони Землі було досліджено географами. Час традиційних географічних відкриттів завершався, поступаючись місцем новій географії, яка замість питань «Де? Що?» намагалася знайти відповіді на питання «Чому саме так?». Однак білі плями на карті світу ще залишалися. Це насамперед величезні важкодоступні простори Арктики та Антарктики.
У 1878–1880 рр. шведська експедиція під керівництвом Нільса Норденшельда вперше здійснила наскрізне плавання Північним морським шляхом. Дрейфуючи на судні «Фрам», норвезький дослідник Фритьоф Нансен зібрав відомості про природу приполярних районів океану.
А його земляк Руаль Амундсен уперше проплив Північним Льодовитим океаном уздовж північних берегів Північної Америки.
Досягти Північного полюса стало метою полярних експедицій з XIX ст. Можливо, першою досягла Північного полюса, після переходу паковою кригою на собачих упряжках, експедиція американців Фредеріка Кука 21 квітня 1908 й Роберта Пірі 6 квітня 1909, хоча доказів, що вони досягли заявленої мети, немає. Кукову експедицію довгий час визнавали за брехливу через наклепи на Кука з боку Пірі, але останні дослідження довели реальність цієї експедиції.
14 грудня 1911 р. норвезький дослідник Руаль Амундсен дістався Південного географічного полюса. За два місяці “залізний Руаль” з чотирма товаришами на нартах, запряжених собаками, здолав антарктичну пустелю і в 1911 р. досягнув Південного полюса.
У той самий час, що й Амундсен, дещо іншим маршрутом до Південного полюса прямував і англієць Роберт Скотт. 18 січня 1912 р. він з товаришами досягнув полюса, але там уже майорів норвезький прапор. У пригніченому стані англійці вирушили назад. Долати полярні кілометри доводилося з великими труднощами. Мандрівники падали від голоду та виснаження і вмирали один за одним. Останнім загинув Р. Скотт.
Хоча йому не вдалося першим дістатися полюса, Р. Скотт безперечно заслуговує на те, щоб стояти в ряду видатних мандрівників. У складі експедиції Роберта Скотта, як вважають, в Антарктиці вперше побував українець Антон Омельченко.
Саме в 30-х роках XX ст. розпочалося вивчення Арктики з полярних обсерваторій, які працювали на дрейфуючих крижинах. Першу з них — «Північний полюс-1» —організовано в 1937 р. Повітряну експедицію з організації обсерваторії очолював Отто Шмідт, а роботу самої станції на крижині — Іван Папанін.
З першої половини ХХ ст. починаються регулярні дослідження полярних просторів. Отто Шмідт на криголамі «Сибіряков» в 1932 р. здійснив перше наскрізне плавання Північним морським шляхом з Білого моря до Берінґового.
На сучасному етапі продовжуються дослідження Світового океану. Основи океанології було закладено британською науковою експедицією «Челленджер» (1872-1876 рр.). За допомогою ехолотування було складено карти материкового шельфу та схилу, досліджено глибоководні області. З 1960 року починаються занурення глибоководних апаратів з ілюмінаторами, за допомогою яких було відкрито дивовижний світ природи коралових рифів та каньйонів. Глибоководне буріння океанічного дна дозволило заповнити чимало білих плям геологічної історії нашої планети.
Французький натураліст, океанолог, письменник Жак-Ів Кусто все своє життя присвятив вивченню океанічних глибин. Він винайшов скафандр з аквалангом, за допомогою якого можна було вільно пересуватися під водою на глибині до 90 м, проводив підводні археологічні дослідження, фотографування морського дна, створив товариство з охорони морського середовища.
У 1957 р. експедиція на кораблі „Витязь” у Тихому океані виявила найглибшу океанічну западину – Маріанський жолоб (11 022 м). У 1960 р. швейцарець Жак Пікар та американець Дональд Уолш у батискафі «Трієст» спускалися на дно цієї безодні.
Детальні дослідження процесів, що відбуваються на Землі та в околоземному просторі з 70-х років ХХ ст., проводяться за допомогою космічних супутників.
Регулярні дослідження в Антарктиді проводяться з 1956 р. На материку діє майже 40 наукових станцій із 17 держав. На материку і прилеглих островах різні країни світу обладнали науково-дослідні станції. На одній з них – станції “Академік Вернадський” – з 1996 р. проводить дослідження й Україна.
У 1957 р. земляни запустили в космос перший штучний супутник Землі, а згодом і корабель з першою людиною на борту у 1961 р. Юрій Гагарін. Відтоді почалася космічна ера у вивченні земної кулі. Україна також є космічною державою. Вона здійснила запуск двох космічних апаратів. У 1997 р. громадянин України Леонід Каденюк здійснив політ у космос у складі міжнародного екіпажу американського космічного корабля “Колумбія”.