К ХХ веку уже были открыты все моря и континенты. Тем не менее географические открытия продолжались. Большая часть территории СССР относилась к числу малозаселённых и малоисследованных. В начале ХХ века многие районы Арктики, Восточной Сибири и Средней Азии оставались белыми пятнами на карте.
В 1930 году ледокольный пароход «Георгий Седов» привёз к берегам Таймыра экспедицию Всесоюзного Арктического института (ныне Арктический и Антарктический НИИ) под руководством Георгия Ушакова. Она высадилась на берегах Северной Земли, как с 1926 года стала официально называться Земля Николая Второго, открытая в 1913 году. Дореволюционные исследователи нанесли на карту только часть восточных и южных берегов этого архипелага, причём полагали, что это один большой остров.
Четверо советских полярников пробыли на Северной Земле два года. Они совершили несколько походов по ней на собачьих упряжках, во время которых прошли около 11 000 км. Главным результатом экспедиции было точное нанесение на карту объектов Северной Земли. Оказалось, что это архипелаг, состоящий из четырёх больших (которым были даны названия Большевик, Октябрьской Революции, Комсомолец, Пионер) и множества мелких островов. Около половины их общей площади покрыто ледниками.
В ходе ледокольных экспедиций 1930-х гг. в Советской Арктике был открыт ещё ряд отдельных островов, среди которых – острова Ушакова, Шмидта, Визе и др. С того же времени в распоряжении географов оказалось новое могучее средство разведки – авиация. С её помощью было произведено крупнейшее географическое «закрытие» ХХ века.
С XIX столетия среди населения Якутии – купцов, зверопромышленников и т.д. – ходили слухи о том, что к северу от Новосибирских островов видели очертания большой земли с травой, названной Землёй Санникова по фамилии первого её увидевшего. До начала ХХ века отдельные экспедиции то подтверждали, то опровергали её существование. Легенды о ней послужили фабулой знаменитой фантастической повести русского и советского геолога Владимира Обручева «Земля Санникова».
По его настоянию (Обручев был тогда академиком АН СССР), в конце 1930-х гг. были предприняты интенсивные поиски этой земли с помощью самолётов полярной авиации. Они продолжались и какое-то время после войны, но не дали результатов. По мнению исследователей, Земля Санникова могла быть, когда её наблюдали, но представляла собой ледяной остров, со временем переместившийся и растаявший.
Под руководством сына академика Обручева – Сергея Обручева – в 1926 году на северо-востоке Якутии была открыта огромная горная цепь длиною свыше 1000 км, достигающая высот более 3000 метров. Этот высочайший горный хребет Якутии получил имя выдающегося дореволюционного исследователя Сибири Ивана Черского. Экспедиция Сергея Обручева в 1929-1930 гг. распутала многие загадки географии Северо-Восточной Якутии. Она открыла новые горные хребты и уточнила пути многих рек. В частности, верхнее течение Колымы до этой экспедиции обозначалось на картах с ошибкой до 10 градусов долготы.
Последующие экспедиции разных исследователей существенно уточнили географию крайнего Северо-Востока Азии. В 1932 году Чукотская экспедиция Арктического института открыла мощную систему Корякского нагорья на севере нынешнего Камчатского края. В 1937 году там были обнаружены современные ледники. Большим сюрпризом для учёных явилось открытие крупных очагов современного оледенения и в других горах Северо-Восточной Сибири: хребте Черского, Верхоянском хребте, Сунтар-Хаята и др.
Многие открытия в Сибири были связаны с проведением топографических съёмок, определением высоты гор и других научных исследований. В частности, была измерена глубина озера Байкал – 1741 метр (1642 метра по современным данным) и окончательно установлено, что это – глубочайшее озеро мира (до того таковым считалось озеро Танганьика в Африке).
В Средней Азии участники Большой Памирской экспедиции 1927-1933 гг., проводившейся совместно советскими и германскими учёными и альпинистами, обнаружили самые высокие горы Советского Союза. Высочайшей вершине – 7495 метров – было дано имя пика Сталина (впоследствии пик Коммунизма, ныне пик Исмаила Сомони). До того самой высокой горой в данном районе считался пик Гармо – почти на километр ниже. Любопытно, что его открытие произошло не в полевых условиях, а в кабинете, при сопоставлении результатов съёмок.
Вновь открытые горы и другие объекты не имели местных названий, поэтому участники экспедиции с полным правом первооткрывателя присваивали им свои – например, хребет Академии Наук. Были впервые определены и нанесены на карту точные расположение и протяжённость горных хребтов на этой «крыше мира». Был пройден до истоков ледник Федченко в районе новооткрытого пика Сталина и обнаружено, что это самый длинный горно-долинный ледник в Евразии (77 км).
В 1938 году группа альпинистов поднялась на неизвестную вершину в Тянь-Шане к юго-востоку от Алма-Аты. Во время Великой Отечественной войны в 1943 году экспедиция топографов определила, что эта вершина, названная первовосходителями пиком 20-летия Комсомола, на самом деле – высочайшая в советской части Тянь-Шаня (7439 м) и почти на полкилометра превосходит расположенный в этом же районе пик Хан-Тенгри, ранее считавшийся самым высоким. В 1946 году ей было присвоено имя пика Победы.
В середине ХХ века большое значение приобрели океанографические исследования на специально оборудованных для этого научно-исследовательских суднах (НИС). До того времени у учёных мира имелось весьма смутное представление о рельефе дна Мирового океана. Здесь в ХХ веке были сделаны такие открытия, которые многие называют «открытием седьмого континента». Самым значительным было обнаружение глобальной системы срединно-океанических хребтов и глубоководных желобов, послужившее фундаментом современной концепции глобальной тектоники литосферных плит.
Значительный вклад в это коллективное открытие учёных мира сделали работы на советском НИС «Витязь» (репарационный немецкий «Марс»), начавшиеся в 1949 году и продолжавшиеся 30 лет. Его экспедиции открыли множество объектов рельефа дна Тихого и Индийского океанов, в частности – такую крупномасштабную структуру, как Восточно-Индийский хребет. В 1953 году оно измерило максимальную глубину Курило-Камчатского жёлоба у тихоокеанского побережья СССР – 10 382 м (по современным данным – 9717 м). В 1957 году на «Витязе» была определена глубина Марианской впадины – 11 022 м (сейчас считается – 10 994 м) и установлено что это – самая глубокая точка Мирового океана.
Начиная с 1930-х гг. работы советских гидрографов в Арктике обнаружили сложную орографию дна Северного Ледовитого океана с его хребтами Ломоносова и Менделеева. Происхождение крупных структур подводного арктического рельефа до сих пор остаётся дискуссионным.
