Regnes som en av pionerne innen polarflyging. Tok norsk militært flysertifikat ved mariens flyskole i Horten i 1921 og fortsatte som flyver i Marinens flygevåpen. Født på gården Myren på Dragsholt nær Kristiansand.
Var i 1925 med på redningsaksjonen på Amundsen/Ellsworth redningsaksjon på Spitsbergen. I 1926 søkte han permisjon og dro til Svalbard for å være reserveflyver og bakkemannskap i Ny-Ålesund under «Norge-ferden».
Ble sentral i dokumentasjonen av Ricard E. Byrds sin uriktige påstand om a han hadde nådd Nordpolen, som den første med flyet «Josephine Ford» i 1926, da han hjalp til med å reparere, og fly flyet før Byrd fløy mot Nordpolen. Balchens observasjoner som øyenvitne og erfaring bak spakene på flyet var med på å dokumentere at Byrd kunne ha bløffet og ikke nådde frem til Nordpolen 9. mai 1926.I 1926 reiste Balchen til USA hvor han fortsatte samarbeidet med Byrd og hans USA turne med flyet Byrd hadde brukt på Svalbard. I 1927 fløy Balchen den første post- og passasjerfly over Atlanteren. Byrd var passasjer. Dårlig vær i Paris gjorde landingen umulig, de nødlandet derfor i sjøen utenfor kysten av Frankrike.
1928 fløy Balchen til Grennly Island nord for Newfoundland for å redde mannskapet på det tyske flyet «Bremen», som hadde krasjlandet under en Atlanterhavsflyvning.
November 1929 var han førsteflyver på flyet «Floyd Bennett» som tok Byrd til Sydpolen. Dette var første gang Sydpolen ble overfløyet.
I 1931 vedtok kongressen en lov som gjorde Balchen til amerikansk statsborger. Fra 1939 til 1941 hadde Balchen ansvaret for å forsyne britiske styrker i England og Singapore med fly. I 1941 ble Balchen offiser i den amerikanske flyvåpenet og sjef for Task Force 8. Han ledet da den militære flybasen Bluie West 8 på sørvestkysten av Grønland. Her organiserte han flere allierte operasjoner mot Norge og Skandinavia. Han fløy selv flere tokt for å redde havarerte fly-mannskaper. Han ble oberst i 1943 og forflyttet til 8th Air Force som opererte mot Norge og Sverige. Han organiserte blant annet «operasjon Balder» som fløy nordmenn fra Sverige til Storbritannia, flydropp over Norge og en rekke andre operasjoner.
En periode før og etter 2. verdenskrig var han sjefsinspektør i Det Norske Luftfartsselskap (DnL), som seinere ble den norske delen av SAS. Fra 1948 sjef for 10th Rescue Squadron i Alaska og rådgiver for det amerikanske flyvåpenet i arktiske spørsmål.
Mai 1949 fløy Balchen fra Fairbanks via Thule på Grønland. Han var da den første i verden som fløy over begge polene. I september 1949 fløy han som den første i verden nonstop fra Anchorage i Alaska over Nordpolen til Skandinavia.
Han ble overført til flyvåpenets hovedkvarter i Pentagon i 195 for å bistå med oppbygningen av forsvaret av nordområdene og utvikling av systemer for tidligvarsling av ballistiske rakettangrep.
Balchen døde i 1973 i New York og gravlagt på Arlington æreskirkegård i Washington D.C. På 100 årsdagen for hans fødsel avduket kong Harald V en statue over hans minne i Østerhavna i Kristiansand.