Con gran empeño, abrió suscripciones públicas, que fueron auspiciadas por la Sociedad Geográfica de Bélgica, y se procuró los recursos necesarios para la financiar la expedición. Lo primero que hizo fue adquirir, por 70.000 francos, un barco de 250 toneladas, bien equipado, al que llamó "Bélgica". El Parlamento belga también apoyó la iniciativa y donó 60.000 francos. La suscripción fue un éxito y finalmente aportó otros 300.000 francos.

Sin problemas de financiamiento, el 16 de agosto de 1897 partió de Amberes rumbo al Antártico al mando de su vapor "Bélgica", llevando al teniente Roald Amundsen como segundo; éste se convertiría pocos años más tarde en el primero en conquistar el Polo Sur.

En la tripulación de la nave había hombres de muchas nacionalidad. Entre otros, destacaban el zoólogo rumano Emile Racovitza, el geólogo polaco Henryk Arctowski, el oficial y astrónomo belga George Lacomte, el noruego Amundsen y varios compatriotas suyos, el médico Frederick A. Cook del Condado de Sullivan-Nueva York, y otros, incluyendo a un joven ayudante ruso.

El entusiasmo era enorme, quizás por eso la nave fue cargada en exceso. Su cubierta estaba solo sesenta centímetros por encima del agua y la velocidad apenas podía superar las 6 millas por hora (unos once kilómetros por hora). El 1 de diciembre de 1897 tocaron Punta Arenas (en el Estrecho de Magallanes), en el extremo austral de Chile. Luego de cargar combustible, el personal científico comenzó el 14 de diciembre sus estudios de fauna, flora y geología en la parte sur de la Tierra del Fuego.

El 1 de enero el "Bélgica", tratando de salir por el Este a alta mar, sufre un contratiempo al chocar con unos escollos. Esto los obliga a poner rumbo a la isla de los Estados. Finalmente, consiguen partir el día 14 de enero en demanda de las islas Shetland del Sur. Durante la travesía, el día 22 se vieron inmersos en una tempestad que derramó los recipientes de carbón que llevaban en cubierta. En el accidente el marinero Carl Wiencke se ahogó. Era la primera pérdida humana y no sería la última. El temporal obligó a ganar la costa occidental de la isla de Low, y desde aquí a la bahía de Hughes.

El 23 de enero la tormenta menguó. Habían llegado a la Tierra de Graham que no había sido visitada desde hacía 60 años. El "Bélgica" navegó muy despacio por un estrecho entre la costa de la Tierra de Graham y un significativo archipiélago al Oeste que recibió provisionalmente el nombre de Palmer. Gerlache llamó al paso descubierto estrecho de Bélgica, pero más tarde fue renombrado en su honor como estrecho de Gerlache.

Durante tres semanas navegaron en todos los sentidos entre la bahía de Hughes y el estrecho descubierto, efectuando el levantamiento de las tierras. Para ello se realizaron hasta veinte desembarcos entre el estrecho de Bransfield y el Pacífico, así como en la parte Este de las islas de Palmer, y la tierra del Este que más tarde se denominó Tierra de Danco. Se trazaron y bautizaron las islas Brabant, Liege, Anvers, así como la isla Wiencke, en memoria del marinero fallecido.

El geógrafo Lacomte procedió a determinar las coordenadas de los puntos salientes. El físico Danco determinó los parámetros magnéticos allí donde pudo desembarcar los instrumentos. El zoólogo Racovitza descubrió y recogió ejemplares de una especie de díptero, varios especímenes de minúsculos ácaros, así como musgos, líquenes y gramíneas, además de realizar observaciones de pingüinos, petreles y otras aves. El geólogo Artowski coleccionó ejemplares de rocas de gran utilidad para determinar la constitución geológica de aquellas tierras, y el doctor Cook obtuvo fotografías de gran valor documental.

Invierno entre los hielos

El 12 de febrero el "Bélgica" siguió adentrándose en el Pacífico y se dirigió hacia la Tierra de Alejandro I, cruzando el Círculo Polar el día 15. El día 16 fue divisada la costa pero una barrera de hielo impenetrable les impidió aproximarse a ella, siguiendo hacia el Oeste para explorar la orilla del banco de hielo. El 28 de febrero se encontraban en los 70º 20' Sur y 85º Oeste, observándose grandes brechas en la barrera de hielo. A pesar de lo avanzado de la estación y el riesgo que eso conllevaba, decidieron continuar hacia el Sur con la intención de explorar la zona desconocida. Prácticamente sin dificultades habían alcanzado el 2 de marzo los 71º 31' Sur y 85º 16' Oeste, pero desde aquí fue imposible continuar más al Sur, teniendo el "Bélgica" que virar hacia el Norte. Una semana después sólo había conseguido navegar unas 8 millas con gran esfuerzo.

El 10 de marzo el "Bélgica" se quedó definitivamente bloqueado entre los hielos. Los témpanos llegaron a formar un talud alrededor del barco, que se elevaba hasta la altura del puente, construyeron entonces un techo sobre él para evitar la pérdida de calor por irradiación. A partir de mediados de marzo arreciaron los fríos vientos del Sur, haciendo derivar al barco entre las placas. El 16 de marzo había alcanzado la latitud 71º 34' Sur, 89º 10' Oeste, el 30 de mayo ya estaba en los 71º 36' Sur, 87º 39' Oeste.

La placa de hielo cambiaba constantemente de aspecto. En general se presentaba compacta, mostrando en ocasiones grandes lagunas o canales que no tardaban en cerrarse. Las tempestades de nieve y la cercanía de la noche polar impidieron salidas o trabajos en el exterior, además de suponer grandes riesgos por la movilidad del hielo. Finalmente, el 17 de mayo se puso el sol reinando la oscuridad total, no volviendo a asomar en el horizonte hasta el 21 de julio. Las bajas temperaturas mantenía a los hombres fríos y húmedos y al principio se apiñaban para mantener las calorías. Las horas y días pasaban y apenas intentaban comunicarse, sobre todo debido al problema de idioma. Comenzaron a padecer espasmos musculares, depresión y constante deseo de huir unos de otros. Ya a principios de mayo el teniente Danco había caído enfermo; poco más tarde, el 5 de junio de 1898, fallecería por una neumonía y un corazón muy debilitado.

La tripulación se cansó rápidamente de tomar siempre la misma dieta, que se basaba en productos en conserva. El doctor Cook convenció a la tripulación de la necesidad de comer carne fresca de foca y pingüino por motivos sanitarios, éstos, sin ser numerosos en las inmediaciones del buque, constituyeron sin embargo una fuente casi ordinaria durante los últimos meses del invierno. A pesar de perturbaciones cardíacas durante el periodo de oscuridad, esta dieta ayudó a mantener un buen estado de salud.

Tras la primera claridad que asomaba por el horizonte el 21 de julio de 1898, la tripulación reanudó los trabajos de investigación realizando sondas y observaciones astronómicas, mientras partidas de trineos inspeccionaban los alrededores de la placa helada. Aunque el invierno acababa, el carbón y el aceite para las lámparas comenzaba a escasear. La tripulación empezó a temer la posibilidad de pasar un segundo invierno entre los hielos. La certeza de la muerte comenzaba a apoderarse de sus mentes.

En octubre las grietas, canales y claros comenzaron a hacerse más numerosos, aunque seguía habiendo días en que el hielo permanecía compacto. A sólo 600 o 700 metros se encontraba una inmensa mole de hielo de más de tres kilómetros de diámetro, en torno a ella se divisaban numerosas venas de agua o canales. La Navidad llegó y el pánico hizo presa de algunos hombres, varios de ellos tuvieron que ser tratados por el doctor Cook tras mostrar ataques de locura.

A principios de enero de 1899 los expedicionarios se decidieron a practicar un canal que les permitiera alcanzar un claro que apareció a sólo 600 metros del barco, siguiendo las huellas de otro canal que se había cerrado por congelación en el mes de mayo. El espesor medido por Cristian Boeck en la capa helada daba un metro de media, mientras que en las inmediaciones del barco donde el hielo era mas antiguo pasaba de los dos metros.

En una laboriosa operación en que participaron todos los miembros de la expedición, tardaron tres semanas en serrar o demoler de 2.500 a 3.000 metros de hielo. Hacia el 1 de febrero solo quedaba por serrar los bloques adyacentes al buque, pero las presiones comenzaron a estrechar el canal que habían conseguido abrir, a la vez que se cerraba también el claro en que terminaba. Afortunadamente, poco tiempo después empezaron a notar ligeros movimientos del oleaje. El 11 de febrero el claro se prolongaba hacia el Norte hasta perderse de vista, al tiempo que el canal se abría un poco, pero no lo suficiente para poder navegar por él. Se procedió a limpiar de nieve y hielo el canal, siendo cada vez más perceptible el oleaje. El 13 de febrero 1899 se pudieron dar algunas vueltas de hélice, y el 14 a las 2 de la mañana el "Bélgica", por primera vez desde el 2 de marzo de 1898, era capaz de moverse por si mimo abandonando por fin el lugar de la invernada.

Durante el día 14 y el siguiente se consiguió avanzar quince o dieciséis millas hacia el Norte (unos 25 kilómetros), pues ya era imposible hacerlo hacia el Sur. Al otro día por la tarde quedaron nuevamente bloqueados por el hielo, éste se presentaba tan cerrado y compacto que apenas podían alejarse de algunos icebergs amenazadoramente próximos. Sólo la oscuridad que reflejaba el cielo en la parte Norte daba indicios de esperanza de que en aquella dirección se extendía mar abierto. El oleaje aumentaba día tras día, y el 20 se divisó una larga línea negra en el horizonte que se extendía de Este a Oeste; el mar libre se encontraba a sólo siete u ocho millas hacia el Norte (unos doce kilómetros). Por fin, el 14 de marzo a las 2 de la mañana la placa se abrió lo suficiente para navegar y salir a alta mar. Al mediodía ya se encontraban en aguas libres de hielos. No se avistó un solo iceberg en la toda la travesía hacia Tierra del Fuego. Tras tocar la ciudad chilena de Punta Arenas a finales de mayo, llegaron a Montevideo el 23 de junio de 1899.

La invernada de Gerlache fue la primera entre los hielos antárticos. Durante ese tiempo se practicaron buenas observaciones meteorológicas y horarias, coleccionados interesantes ejemplares de la fauna marina, así como sedimentos submarinos.

Adrien de Gerlache falleció el 4 de diciembre de 1934 y sus restos se hallan en el cementerio de Bruselas.