Несколько недель «Великий князь Константин» развозил грузы и провиант по портам Черного моря, прорывая турецкую блокаду. Лишь 15 декабря 1877 года Макаров вышел из Сочи в боевой поход. В сумерки корабль подошел к Поти, где Макаров узнал, что на рейде Батума стоят 6 турецких кораблей. «Константин» направился к Батуму. В ночь на 16 декабря минные катера выпустили две торпеды по неприятельским броненосцам у берега. Были слышны два взрыва.
С.О. Макарова произвели в капитаны 2?го ранга; считали, что по крайней мере один неприятельский корабль поврежден. Однако в январе 1878 года «Таймс» поместила сообщение, что в Батуме обнаружены части невзорвавшихся торпед. После войны Уайтхэд приобрел их и выставил в своем музее, а русскому военному агенту передал данные технического заключения, из которого следовало, что одна из торпед, пройдя мимо цели, выбежала на берег и не взорвалась при ударе о песок. Вторая, ударившись об якорь?цепь, разломилась, и ее головная часть взорвалась на грунте.
До начала января пароход использовали как быстроходный блокадопрорыватель, снабжавший войска на Кавказе продовольствием. В январе «Великий князь Константин» вновь направили к побережью Кавказа. В ночь на 14 января катера «Чесма» и «Синоп» с лучшими специалистами ночных минных атак — Зацаренным и Шешинским нашли в тумане рейд Батума и двумя торпедами потопили «Интибах» — сторожевой пароход водоизмещением 700 тонн. Это была первая в мире успешная торпедная атака.
После войны Макаров командовал отрядом миноносок на Балтике, в 1880–1881 годах состоял начальником морской части при генерале Скобелеве в Ахал?Текинской экспедиции. Командиром стационера «Тамань» в Константинополе он в 1881–1882 годах проводил исследования течения в проливе Босфор и установил наличие глубинного противотечения. За работу «Об обмене вод Черного и Средиземного морей» моряк был удостоен в 1887 году неполной (второй) Макарьевской премии. Назначенный в 1883 году флаг?капитаном практической эскадры Балтийского флота, Макаров вернулся к вопросам непотопляемости. Он читал лекции, написал несколько статей. Разбирая боевые качества корабля, моряк выделил в качестве оборонительных его свойств, кроме непотопляемости, неуязвимость (способность оставаться невредимым от неприятельских ударов) и живучесть (способность продолжать бой, имея повреждения в различных боевых частях). Ныне борьба за живучесть корабля во многом основывается на положениях, высказанных Макаровым свыше ста лет назад.
Командуя корветом «Витязь», Макаров в 1886–1889 годах обошел вокруг света. По собственной инициативе он организовал океанографические исследования. Позднее ученый на основе измерений, сделанных экипажем «Витязя», а также моряками других отечественных и зарубежных судов, составил океанографическую картину северной части Тихого океана. В 1894 году под названием «„Витязь“ и Тихий океан» вышла двухтомная книга Макарова; она получила Макарьевскую премию Академии наук и большую золотую медаль Географического общества. Сам Степан Осипович благодаря научно?исследовательским трудам стал одним из основоположников океанографии. Ныне имя корвета «Витязь» среди названий других наиболее замечательных судов исследователей Мирового океана выбито на фронтоне Океанологического музея в Монако.
За отличие в службе 1 января 1890 года С.О. Макарова произвели в контр?адмиралы и назначили младшим флагманом Балтийского моря. В этот период, часто выходя в море и работая в различных комиссиях, Макаров продолжал изобретать. В 1892 году он предложил специальный колпачок на бронебойные снаряды, позволяющий им пробивать цементированную броню, не раскалываясь. Он вводил на вооружение бездымный порох, составленный Д.И. Менделеевым. В 1894–1895 годах контр?адмирал командовал эскадрой на Средиземном море, затем перешел с эскадрой на Дальний Восток и командовал ею в составе Тихоокеанской соединенной эскадры вице?адмирала С.П. Тыртова. По его поручению он подготовил приказ, включавший наставление для эскадры в бою — одну из первых инструкций для броненосного флота.
В 1896 году Макарова назначили старшим флагманом 1?й флотской дивизии Балтийского моря, 20 августа произвели в вице?адмиралы. Моряк командовал в море практической эскадрой.
Весной 1897 года С.О. Макаров предложил построить большие ледоколы, чтобы поддерживать зимой навигацию в Финском заливе и Балтийском море, а летом — обеспечивать морские перевозки вдоль берегов Северного Ледовитого океана. Ему удалось добиться от правительства необходимых ассигнований, на которые в Англии был построен первый линейный ледокол «Ермак». Он сошел на воду 17 октября 1898 года. 19 февраля 1899 года, после тщательных испытаний, судно приняли от завода. Вскоре «Ермак» направился в Россию. Уже весной 1899 года корабль показал свои возможности, пробившись сквозь льды в Кронштадтскую гавань. Через несколько дней «Ермак» освободил из ледового плена 11 торговых судов недалеко от Ревеля (Таллина), взломав ледяное поле вокруг них. 1 апреля ледокол за полчаса разбил лед на Неве. В результате навигация началась значительно ранее, чем обычно (первый пароход прибыл в Петербургский порт 17 апреля).