25 сентября, с учётом положительного опыта К-115 и К-178 (последняя ещё не вышла из-подо льдов!), подводная лодка вышла из базы, погрузилась и следовала в подводном положении к кромке льда. 27 сентября перед кромкой пакового льда лодка всплыла в мелкобитом льду. Здесь АПЛ встретилась с ожидавшим её ледоколом «Добрыня Никитич», уточнила своё место, ошибку системы курсоуказания и, погрузившись на глубину 120 метров, направилась в Центральную Арктику через жёлоб Франца-Иосифа (см. карту выше).
29 сентября в 06:00 АПЛ К-181 прошла через точку Северного полюса, а в 6 часов 51 минуту всплыла в полынье в точке с координатами 89 градусов 59,6 минут северной широты и 42 градуса восточной долготы. На льду был установлен государственный флаг СССР и военно-морской флаг, вымпел газеты «Красная звезда».
Здесь произошёл курьёзный и, насколько нам известно, единственный в истории случай – человек искупался на Северном полюсе! Им стал командир штурманской боевой части корабля капитан-лейтенант В.М. Храмцов (впоследствии вице-адмирал). В суете в 10:00 во время схода на лёд, по воспоминаниям самого «счастливчика» [Храмцов В. М., 34], он соскользнул в воду между паковым льдом и корпусом лодки. Температура воздуха была минус 16, а воды – минус 1,5 градуса, безветрие. Естественно, его быстро извлекли из воды и дали «согревающего». Ныне многие считают, что сделал он это намеренно. Как бы то ни было, факт остаётся фактом: В.М. Храмцов – единственный подводник в мире, искупавшийся на Северном полюсе.
Из-подо льда лодка вышла 2 октября. Здесь её ожидал, подавая звуковые сигналы в воде, спасательный буксир СС-44. В базу АПЛ вернулась 4 октября. За время похода пройдено 3664 мили за 219 часов, из них: под водой – 3417 миль за 196 часов, над водой – 47 миль за 33 часа, подо льдом – 1830 миль за 119 часов. Во время похода проводились испытания экспериментального навигационного комплекса «Сигма» и опытного образца приёмоиндикатора, способного принимать сигналы системы дальней радионавигации в подводном положении. Очевидно, благодаря именно этому комплексу и другой современной аппаратуре удалось на полюсе найти полынью и всплыть. Однако имеются достаточно авторитетные сведения от тех, кто служил вместе с некоторыми участниками похода, что ошибка места К-181 при выходе из-подо льда составила 200 километров. Тем не менее, задача похода была выполнена успешно.