Po powrocie kontynuował studia, w 1905 roku uzyskał stopień B.Sc. geologii. Pierwsze badania dotyczyły geologii Mittagong (prowadząc je współpracował z Thomasem Griffithem Taylorem) oraz australijskich minerałów radioaktywnych (współautorem pracy na ten temat był fizyk Thomas Laby). Wykładowcami, którzy wywarli istotny wpływ na Mawsona, byli Edgeworth David oraz Archibald Liversidge. W 1905 został wykładowcą mineralogii i petrologii na University of Adelaide. Kontynuując swoje zainteresowania materiałami radioaktywnymi, jako pierwszy opisał nowy minerał, nazwany (na cześć Edgewortha Davida) davidytem.
Ekspedycja Nimrod W 1907 roku wziął udział w wyprawie Ernesta Shackletona na statku Nimrod, której celem było dotarcie do bieguna południowego. W marcu 1908 wszedł, wraz z Edgeworthem Davidem oraz Alistairem Mackayem na szczyt Erebusa, a następnie dotarli w okolice południowego bieguna magnetycznego. W czasie ekspedycji Mawson był odpowiedzialny za prowadzenie obserwacji magnetycznych oraz prace kartograficzne, a podczas powrotu objął przywództwo (ze względu na zły stan zdrowia Davida). Kończąca się żywność i wyczerpanie (uczestnicy wyprawy przeszli ok. 2028 km, ciągnąc obciążone sanie) spowodowały, że wyprawa omal nie zakończyła się katastrofą. Mawson, usłyszawszy sygnał Nimroda, pobiegł w jego stronę, wpadając w rozpadlinę.