На борту находились штурман Валентин Иванович Аккуратов, бортмеханик Дмитрий Петрович Шекуров, радист Сергей Александрович Наместников, научный сотрудник Михаил Михайлович Сомов и корреспондент «Правды» Сергей Иванович Бессуднов.
Главной задачей была посленавигационная ледовая разведка на трассе Северного морского пути. Учёным и лётчикам предстояло обследовать состояние льда в центральной части Северного Ледовитого океана на маршруте Северная Земля — Северный полюс — Новосибирские острова. Такие разведки проводились с 1942 года, однако прежде они охватывали лишь ограниченные районы восточного сектора Арктики. В 1945 году впервые удалось проникнуть в самые высокие широты.
Самолёт шёл к исходной точке сложным маршрутом: Москва — Архангельск — Амдерма — Дудинка — мыс Косистый — мыс Челюскина. 2 октября самолёт поднялся в воздух с мыса Челюскина и взял курс на север.
Полёт проходил в сложнейших условиях. Полярная ночь лишала экипаж привычных визуальных ориентиров, а навигация велась исключительно по приборам. За 15,5 часов самолёт пролетел около 4500 километров, совершив беспосадочный бросок от мыса Челюскина до полюса и далее к Новосибирским островам. Полученные данные о ледовом покрове имели огромное значение для составления долгосрочных прогнозов и обеспечения безопасности плавания по Северному морскому пути. Полёт Титлова и его товарищей стал важной вехой в освоении Арктики, доказав, что полярная авиация способна решать сложнейшие задачи даже в самых суровых условиях.