Незадолго до русско-турецкой войны 1877–1878 годов Макаров добился назначения в Черноморский флот. Спустя месяц после назначения, в ноябре 1876 года, Макаров предложил главному командиру Черноморского флота проект переоборудования быстроходного парохода "Великий князь Константин" в плавучую базу минных катеров для нападения на корабли противника в его базах. Проект был принят, и когда началась война, пароход был вполне подготовлен к военным действиям.
После окончания русско-турецкой войны Макаров, произведенный в капитаны 2-го ранга, был назначен начальником отряда миноносок Балтийского флота, затем, в мае 1880 года, — на Каспийское море заведующим морской частью Ахал-Текинской экспедиции, а после ее завершения, в октябре 1881 года, — командиром парохода «Тамань», находившегося в Константинополе в распоряжении русского посольства. 1 января 1882 года Макаров был произведен в капитаны 1-го ранга.
За годы пребывания в Константинополе Макаров сумел проделать работу исключительной важности — исследовать течения Босфора.
Еще во время русско-турецкой войны Макаров заинтересовался течениями Босфора, но тогда он не имел возможности заняться научными исследованиями. Теперь, когда в его распоряжении находился пароход, Макаров немедленно приступил к изучению интересовавшего его вопроса.
Ему удалось провести исключительные по значению океанографические исследования, которые не только дали полное решение загадки нижнего течения Босфора, но и раскрыли основные закономерности изменений верхнего и нижнего течений, их причины и изменчивость во времени. Кроме того, он сумел поставить ряд крупных океанографических проблем общего характера, таких, например, как связь между уровнем моря и скоростью течения. Результаты наблюдений, описание работ и научные выводы Макаров опубликовал в своей книге "Об обмене вод Черного и Средиземного морей", вышедшей в свет в 1885 году. Огромное значение этой книги сразу было признано учеными. В 1887 году Макаров был удостоен премии Академии наук. Таким образом, первая же океанографическая работа Макарова выдвинула его в ряды первоклассных ученых-океанографов.
17 сентября 1886 года Макаров был назначен командиром корвета «Витязь», которому предстояло совершить кругосветное плавание, первое после многолетнего перерыва. В 1867 году, когда правительство России за 11 миллионов рублей продало США Аляску и почти все принадлежавшие России острова в Тихом океане, прекратилась деятельность Российско-американской компании, а в связи с этим прекратились и кругосветные плавания русских кораблей.
Ко времени плавания «Витязя» Тихий океан был в общем известен, и поэтому не приходилось рассчитывать на какие-либо существенные географические открытия в его водах. Да Макаров и не ставил перед собой таких задач, так как корвет "не снаряжался для ученых целей".
12 сентября 1886 года «Витязь» покинул Кронштадт. В период плавания Макаров и его офицеры не прекращали исследований, которые легли в основу новой науки — океанологии.
К 24 марта «Витязь» достиг Гонолулу.
Двухнедельное плавание к Гавайским островам не прошло для Макарова даром. Он успел за это время сделать три глубоководные станции, результаты которых помогли ему найти правильное решение одной из важнейших океанографических проблем.
Основной целью наблюдений Макарова за поверхностным слоем воды в этом районе Тихого океана являлось отыскание восточной грани теплого течения Куро-Сио. Макаров неспроста заинтересовался этим течением. Под этим названием, что по-японски означает «синяя» или "темная вода", понимают целую систему течений, связанных с этим основным потоком.
Подобно системе Гольфстрима в Атлантическом океане, система Куро-Сио играет огромную роль в жизни Тихого океана. Эта система теплых течений обогревает Восточно-Китайское, Желтое и Японское моря, определяет климат Японских островов, оказывает огромное влияние на климат северо-западной части Тихого океана и влияет на гидрологические и метеорологические условия Охотского и Берингова морей. Поэтому изучение Куро-Сио было очень важным делом.
Наблюдения Макарова показали, что течение это не имеет четкой восточной границы. Его воды плавно переходят в воды Тихого океана.
Даже тщательные исследования при помощи современных приборов с большим трудом позволяют различить восточный край Куро-Сио. Зато его западный край, особенно после поворота течения севернее широты 37° на восток, обозначается очень четко, так как он отделяет теплое Куро-Сио от холодного течения Ойя-Сио. Но эту границу Макаров пересек позднее.
Прибыв 25 апреля 1886 года в Иокогаму, «Витязь» вошел в состав Тихоокеанской эскадры, которой командовал тогда вице-адмирал Шмидт.
В течение двадцати месяцев «Витязь» плавал в дальневосточных морях — то в составе эскадры, то самостоятельно, выполняя специальные поручения командования. Корвет побывал во многих портах — от Манилы на Филиппинских островах до Петропавловска-Камчатского. Он посетил Сахалин, северное и северо-западное побережье Охотского моря, Курильские острова, Камчатку, Командорские острова, разные порты Китая и Японии (Иокогаму, Нагасаки, Хакодатэ и другие).
Во время всех этих плаваний Макаров и его офицеры продолжали неутомимо вести океанографические исследования, которые дали много ценного материала для изучения дальневосточных морей.
В конце прошлого столетия Берингово море, с точки зрения океанографии, было почти неизвестно. Во время одного из походов «Витязя» к Командорским островам Макаров сделал гидрологический разрез (серию гидрологических станций на одном галсе) от Камчатки к острову Беринга.
Пользуясь результатами этого разреза и некоторыми другими данными, Макаров сумел определить некоторые очень важные черты гидрологии Берингова моря.
Наиболее обстоятельно Макаров исследовал Охотское море. Он очень верно охарактеризовал особенности его гидрологии, показал общую структуру вод, определил и общий круговорот вод Охотского моря, указав, что движение их происходит против часовой стрелки. При этом он отметил, что в северных и северо-западных районах моря, лежащих в наиболее суровых климатических условиях, создается холодное течение, идущее на юг вдоль восточного побережья Сахалина.
Особенное внимание Макаров обратил на исследования пролива Лаперуза, связывающего Охотское море с Японским. Он тщательно изучил результаты всех наблюдений, произведенных в этом районе до него, дополнил их данными своих глубоководных станций и наблюдениями с кораблей эскадры и составил подробные карты распределения температуры и удельного веса воды на поверхности в самом проливе и в прилегающих к нему районах обоих морей. Макаров провел, также с целью выяснения механизма водообмена через пролив, лабораторные опыты, в которых применил специально построенный им для этого случая прибор.
Кроме гидрологических наблюдений в дальневосточных водах, команда «Витязя» проводила регулярные измерения глубины и гидрографические работы. В частности, была нанесена на карту одна из бухт в заливе Петра Великого в Японском море, которая в честь корабля получила название Витязь.
Таковы результаты исследований Макарова на Дальнем Востоке. Он мог бы продолжать свою плодотворную работу и дальше, но срок пребывания корвета в Тихоокеанской эскадре подошел к концу. 23 декабря 1888 года «Витязь» вышел из Нагасаки в обратный путь, в Кронштадт.
1 июня 1889 года в 4 часа 45 минут корвет «Витязь» стал на якорь на Большом Кронштадтском рейде, благополучно завершив свое кругосветное плавание.
Корвет прошел около 60 тысяч миль, из них под парусами больше 25 тысяч миль. За 993 дня плавания было сделано 493 серии глубоководных наблюдений, огромное количество метеорологических и гидрологических наблюдений, взяты пробы фунта, собраны коллекции различных морских животных и растений.
По окончании плавания Макаров составил специальную записку, в которой изложил свои соображения по вопросам боевой подготовки и улучшения условий жизни команд на кораблях по опыту «Витязя», а также описал технические усовершенствования, сделанные им на «Витязе» (устройство для двойного и даже тройного использования пара главных котлов, в результате установки которого была достигнута существенная экономия расхода топлива, приспособление для уменьшения стремительности качки, устройства, обеспечивающие непотопляемость и т. п.).
Ценность научных результатов кругосветного плавания корвета «Витязь» была огромна, и это прежде всего являлось заслугой его командира — Степана Осиповича Макарова. 1 января 1890 года Макаров был произведен в контр-адмиралы. Несколько позже, в 1894 году, вышел в свет его труд «Витязь» и Тихий океан".
Труд Макарова получил высокую оценку русских ученых. Еще до выхода книги в свет ее автор снова был удостоен премии Академии наук. Выход в свет книги «Витязь» и Тихий океан" явилось крупным событием в мировой географической науке. С. О. Макаров стал одним из виднейших океанографов мира, а название русского корвета начертано на фасаде Международного океанографического института в Монако.
