Prestrud przyjął propozycję i kolejne miesiące spędził wraz z Hjalmarem Fredrikiem Gjertsenem na kursie oceanograficznym organizowanym w Bergen przez Bjørna Hellanda-Hansena.
W sierpniu 1910 roku wypłynął wraz z 19-osobową załogą Amundsena z Norwegii. Na statku „Fram” zajmował stanowisko jednego z trzech oficerów. We wrześniu 1911 roku, na krótko przed opuszczeniem portu Kristiansand dowiedział się o prawdziwym celu wyprawy, jakim był biegun południowyAmundsen zmienił cel wyprawy już kilkanaście miesięcy wcześniej, po podaniu do wiadomości informacji o odkryciu bieguna północnego przez Roberta Peary’ego. Swojej decyzji nie ogłosił jednak publicznie, dopuszczając do tajemnicy tylko swego brata, Leona, i zastępcę, Thorvalda Nilsena. Przed opuszczeniem Norwegii o zmianie planów poinformował pozostałych dwóch oficerów, zaś przed opuszczeniem Madery – resztę załogi.. We wrześniu 1911 roku został członkiem ośmioosobowej grupy mającej na celu zdobycie bieguna południowego. Z powodu bardzo niskich temperatur ekspedycja musiała jednak zawrócić, zaś Prestrud wspólnie z Hjalmarem Johansenem został daleko w tyle za swoimi towarzyszami. Do bazy powrócił nocą, podczas zamieci śnieżniej, kilkanaście godzin po przybyciu na miejsce Amundsena. Miał odmrożone pięty.