29 сентября 1961 года ледокол вышел из Мурманска. На борту находилось вдвое больше людей, чем предусматривалось штатным расписанием: помимо эки пажа, в рейс отправился весь персонал будущей дрейфующей станции. Резервных мест на ледоколе явно не хватало, так что пришлось поставить раскладушки в самых неожиданных местах, включая гордость атомохода — роскошный клуб.

В начале рейса ледокол занимался своими обычными делами — проводкой судов в проливе Вилькицкого, а затем пошел на восток, в Восточно-Сибирское море.

Там, где некогда проходили трассы Норденшельда и Нансена, была обнаружена отличная многолетняя льдина размерами 6,5x4,5 километра. Ледокол пришвартовался к ней с помощью специальных ледовых якорей, и 14 октября разведывательная группа высадилась для проведения рекогносцировки.

Обследовав льдину вдоль и поперек, нашли место, где ее толщина достигала 15 метров, и в течение нескольких дней построили дорогу длиной 2,5 километра, основные сооружения, оборудовали взлетно-посадочную полосу. Все операции по высадке на лед и оборудованию лагеря длились 10 дней: сказалась отличная оснащенность дорожными машинами и прочей современной техникой, которую можно было доставить на льдину только на борту мощного корабля.

В течение всего высокоширотного плавания на ледоколе работала научная экспедиция Арктического и Антарктического научно-исследовательского института под руководством Д. Д. Максутова, который по сей день возглавляет в институте лабораторию ледовых качеств судов.

На обратном пути, уже глубокой полярной ночью, с борта атомохода вдоль всей границы тяжелых паковых льдов были установлены автоматические радиометеорологические станции. Примечателен и тот факт, что во время этого ночного рейса атомный ледокол поднимался до 81° северной широты. Домой, в Мурманский порт, «Ленин» вернулся только 22 ноября, что тоже стало своеобразным рекордом.

Шесть навигаций ледокол трудился в Арктике с полной отдачей своих могучих ядерных сил. Каждая навигация длилась 140–160 суток, что было немыслимо для ледоколов доатомной эры. За это время не было зарегистрировано ни одного отказа атомной установки, ни одного случая опасного повышения уровня радиации.

Однако к 1966 году ядерная установка выработала свой ресурс, и поэтому было принято решение отправить атомоход на модернизацию, в процессе которой энергетическая установка была заменена на более совершенную, с двумя реакторами вместо трех. Впоследствии аналогичная установка была применена на атомных ледоколах второго поколения, что решало проблему унификации энергетических установок всех атомоходов.

В процессе усовершенствования атомного сердца корабля конструкторы пошли по линии упрощения первого контура, установка стала более доступной для ремонта, появилась возможность упразднить постоянное несение вахт. Численность экипажа ледокола была сокращена на 30 процентов, а стоимость потребляемой энергии сократилась в два раза.

После капитального ремонта атомоход снова вернулся в Арктику и включился в работу по обеспечению полярных перевозок, в частности по проводке транспортных судов в устье Енисея для вывоза норильской руды.

В 1971 году в жизни ледокола и в истории освоения Арктики произошло важное событие. Вместе с ледоколом «Владивосток» атомоход совершил высокоширотное плавание из западного сектора Северного Ледовитого океана в восточный. Оба ледокола благополучно пробились сквозь ледяные преграды и достигли порта Певек. Так в развитии арктического мореплавания был взят еще один трудный рубеж. Ведь даже непосвященный человек, взглянув на карту Арктики, поймет: чем севернее будут проложены судоходные магистрали между Европой, Азией и Америкой, тем короче путь, связывающий три континента, тем интенсивнее будут грузопотоки. Правда, сведущие люди знают оборотную сторону медали: чем ближе морская линия подходит к полюсу, тем труднее пробиться сквозь толщу льдов, тем мощнее и прочнее должны быть ледоколы.

Поэтому до появления атомохода о высокоширотных маршрутах через Северный Ледовитый океан можно было только мечтать. Теперь же руководители Северного морского пути стали задумываться о создании новой, укороченной трассы.

Повод для экспериментального рейса появился совсем неожиданно. Весной 1971 года из гарантийного ремонта вышел ледокол «Владивосток», который нужно было срочно, до начала арктической навигации в восточном секторе Арктики, перегнать в порт Певек. Идти обычным путем означало бы непозволительную потерю времени. Тогда-то и родился замысел высокоширотного плавания. Атомоходом командовал будущий герой штурма Северного полюса Ю. С. Кучиев. Капитаном ледокола «Владивосток» был опытный полярный моряк Ю. П. Филичев. Поход тщательно разработали и подготовили. Ученые дали свои рекомендации по выбору курса и по организации графика движения ледоколов, корабли непрерывно получали прогнозы погоды по трассе, свою информацию регулярно давала авиаразведка. Так же как и в высокоширотном плавании 1961 года, на борту атомного ледокола, а также ледокола «Владивосток» работала научная экспедиция Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

Атомоход «Ленин» вышел из Мурманска 26 мая, обошел с севера Новую Землю, где у мыса Желания к нему присоединился ледокол «Владивосток». Затем оба судна поднялись на север и, не заходя в пролив Вилькицкого, обошли Северную Землю. Меньше чем через месяц, 22 июня, ледоколы пришли в Певек, обеспечив таким образом участие «Владивостока» в летней проводке судов по морям восточного сектора Арктики. Длина пути составила 2800 миль, из которых 1600 миль пролегала во льдах, в том числе 950 миль в очень тяжелых льдах.