Война 1877–1878 гг. выдвигает Макарова как боевого офицера. Еще осенью 1876 г. он подает свой проект на случай военных действий, в котором предлагает снабдить быстроходный пароход паровыми катерами с минным вооружением и приспособить их к подъему на боканцах, с тем, чтобы подходить по возможности к месту стоянки неприятельских судов, спускать минные катера и, пользуясь темнотой ночи, атаковать неприятеля; проект этот, замечательный по смелости замысла, был одобрен великим князем Константином Николаевичем и 13 декабря 1876 г. 28-летнему лейтенанту Макарову был дан в командование пароход "Великий Князь Константин", на котором он должен был привести свой план в исполнение. В течение 4-х месяцев шла трудная подготовительная работа, душой которой был Макаров; входя во все мелочи, он заботился не только о морских качествах своего корабля, но сам усовершенствовал типы нового оружия, мины: видоизменил шестовые и предложил новые подкильные или бросательные мины, а также крылатки, ввел кормовой шест и т. п. "Трудно бывало по временам, бесспорно, – пишет один из участников совместной работы с Макаровым, – но труд не казался особенно тяжелым, потому что делался с убеждением и имел целью только полезную сторону дела".
К началу войны, 12 апреля 1877 г., пароход был готов, и Макаров с нетерпением ждал возможности выхода; но местное начальство, несмотря на объявление войны, медлило с разрешением, и только через 2 недели Макаров мог выйти в море. Первые 2 похода к Поти и Батуму не дали результатов; при третьем – к Сулинскому гирлу – катерами был поврежден корвет "Иджалие". В июне, при крейсерстве у Анатолийского берега, миной пущен ко дну купеческий бриг и потоплено 3 парусных судна; в июле у входа в Босфор уничтожено 5 коммерческих судов; в августе, благодаря счастливому стечению обстоятельств, Макаров отвлек огонь турецкого броненосца от отряда полковника Шелковникова и в том же месяце произвел атаку Сухумского рейда. В сентябре "Великий Князь Константин" нес транспортную службу, которая с перерывами продолжалась до средины декабря. В ночь на 16 декабря произведена атака Батумского рейда, и, наконец, в ночь на 13 января 1878 г. на том же рейде утоплен авизо "Интибах". Таковы в кратких чертах военные действия Макарова в кампанию 1877 г.; за свои подвиги менее чем в год молодой лейтенант получил 6 наград: золотое оружие, ордена святого Владимира 4-й степени с мечами, святого Георгия 4-й степени, чины капитан-лейтенанта, капитана 2-го ранга и звание флигель-адъютанта. Так скоро исполнились слова одного из командиров кадета Макарова, что "Макаров будет одним из лучших морских офицеров молодого поколения".
Окончание войны с Турцией не остановило деятельности Макарова; он занялся эвакуацией войск, во время которой познакомился с М. Д. Скобелевым. Последний предложил Макарову в начале 1880 г. место своего помощника по морской части в Ахалтекинской экспедиции. Следует отметить, что всего за 5 месяцев до своего отбытия на новый театр военных действий Макаров женился на К. И. Якимовской. Новое поручение возложено было на Макарова в конце марта, и 7 апреля он отбыл из Санкт-Петербурга; отряд моряков вышел за ним, и уже 21 мая "морская" батарея выступила в степь. Сам Макаров в боевых действиях не участвовал; он находился в тылу армии и занимался, как выразился Скобелев, "черной работой" – организацией подвозки грузов и припасов из Астрахани в Красноводск, где временно исполнял и обязанности по управлению Закаспийским округом. Скобелев был чрезвычайно доволен действиями моряков и их начальника и в знак особого расположения к Макарову обменялся с ним Георгиевскими крестами; со скобелевским крестом Макаров и погиб под Порт-Артуром.
В конце 1881 г. Макаров был назначен командиром парохода "Тамань", стоявшего стационером в Константинополе; на этом спокойном месте Макаров завоевал себе новую славу выдающегося исследователя физических свойств моря. Сейчас же по прибытии на место Макаров начал исследования течений Босфора; убедившись в существовании на глубине обратного течения, Макаров определил его границы, скорость и прочие свойства; провел систематизацию этого материала, получился целый трактат "Об обмене вод Черного и Средиземного морей", удостоенный Академией наук неполной Макарьевской премией и который, по словам известного гидролога, барона Ф. Врангеля, "остается и поныне самым полным и законченным решением вопроса о течениях в проливах". Вместе с тем Макаров занялся изучением Босфора как объекта будущих военных действий России, и в 1883 г. подал обстоятельную записку, в которой предлагал ряд мер, могущих обеспечить разрешение этой задачи.
1 января 1882 г. Макаров был произведен в капитаны 1-го ранга и летом состоял флаг-капитаном шхерного отряда при контр-адмирале Шмидте, а в 1883 г. – при контр-адмирале Чихачеве в практической эскадре Балтийского моря; к этому времени относится проект макаровского способа быстрой разводки пара, при котором через 7 ½ минут от зажигания котлов можно дать ход, а в дальнейшие 4 минуты довести его до полного. Как многое другое, и эта мера не была осуществлена во флоте, и только в 1904 г., уже во время войны, Макаров как командующий флотом ввел этот способ на судах эскадры Тихого океана.
Лето 1885 г. Макаров командовал фрегатом "Князь Пожарский" и после кампании, ввиду ожидавшегося столкновения с Англией, представил проект "мобилизации корабля". При этом он писал: "Если не вырабатывать мобилизацию в мирное время, то в случай войны произойдет сумбур". Но и это предложение Макарова подверглось только критике.
В сентябре 1885 г. Макаров был назначен командующим корветом "Витязь", готовившегося к кругосветному плаванию; корвет еще строился и был принят только в середине 1886 г. Ко времени постройки "Витязя" относится замечательный, но малоизвестный труд Макарова, вышедший без подписи: "В защиту старых броненосцев и новых усовершенствований" ("Морской сборник" 1886 г.). В этой работе в легкой литературной форме Макаров изложил свой взгляд на необходимость переделки старых броненосцев согласно новым усовершенствованиям и доказывал это результатом сражения флотов 2 фантастических республик, Белой и Синей, оканчивающегося в пользу "качества", а не "количества" судов. Статья эта, явившаяся и протестом против увлечения морского министерства одним судостроением, рисует идеальные типы морских вождей, как они представлялись в то время будущему адмиралу, и к достижению образа которых он, несомненно, стремился тогда и впослдствии. "Секрет, которым обладал адмирал X, – пишет Макаров, – заключался в том, что он умел выбирать своих командиров", а "создав командиров, адмирал X мог уже делать с эскадрою такие маневры, о которых другой адмирал не мог бы и думать… Успех дела зависит от единства, а единство достигается только продолжительными плаваниями и упражнениями".
В августе 1886 г. "Витязь" пересек Атлантический океан, зашел в Рио-де-Жанейро, затем, обойдя Америку Магеллановым проливом, поднялся в апреле 1887 г. к Иокогаме, зайдя по пути на острова Маркизские и Сандвичевы; более /3 плавание совершено было под парусами. В Тихом океане "Витязь" оставался до конца 1888 г., когда отправился обратно, и через Суэц прибыл 19 мая 1889 г. в Кронштадт. За 3-летнее плавание сделано было под парусами 25 856, под парами – 33 412, всего же 59 268 миль. Во время плавания, начиная с самого выхода из Кронштадта, Макаров решил произвести, подобно наблюдениям в Босфоре, исследования проходимых вод. "С первых же дней, – говорит сам Макаров, – стало очевидным, с какою охотой офицеры взялись за дело. В начале остановки для наблюдений на глубинах были редки, а потом, когда корвет был приведен в должный вид в военном отношении, работы участились, в особенности в наших Японском и Охотском морях, где так мало произведено еще исследований". Так молодой командир "Витязя" не забывал занесенного им еще кадетом в дневник положения, что степень усердия личного состава зависит от "осмысленности жизни". Незаурядное плавание "Витязя" обессмертило имя как командира, так и самого корабля: сделаны были 194 станции с гидрологическими наблюдениями, по окончании плавания добытые данные были систематизированы и напечатаны в 1894 г. под названием ""Витязь" и Тихий океан". Труд этот был удостоен Академией наук Макарьевской премией и Константиновской медалью Географического общества.
Во время пребывания "Витязя" на востоке на долю Макарова, за болезнью начальника эскадры, выпало временное управление ею, и немедленно строй жизни ее оживился: эскадра производила маневрирования, как бы в военное время; под председательством Макарова комиссия командиров разрабатывала планы военных действий крейсеров на случай разрыва с той или иной державой; при этом Макаров не ограничился рассмотрением только самих планов, но обращал внимание высшего морского начальства и на то, что Владивосток, единственная база русского флота на Дальнем Востоке, не отвечал своей цели. Не остановился Макаров и перед тем, чтобы обратить внимание министерства на то, что у него не было органа, разрабатывающего предварительные планы войны: "Комиссия осмеливается думать, – говорилось в одном из ее протоколов, – что если бы во главе морского штаба был учрежден отдел, не связанный текущими, делами и специально ведущий военно-стратегическую часть, то организация войны много бы выиграла". Все эти, высказанные за 16 лет до японской войны, горькие истины остались таковыми, и печальные 1904–05 гг. ясно показали всю справедливость слов Степана Осиповича.