Вернувшись в Петербург, ученый закончил работу над Смутным временем, и текст этого исторического исследования появился в журнале Стасюлевича «Вестник Европы» в 1866–1867 годах (печаталось исследование частями в течение двух лет).
Осенью 1866 года случилось еще одно важное для Костомарова событие. Он решился пойти на Смоленское поле, где 2 сентября наблюдал публичную казнь Каракозова. Вот как это запомнилось ученому: «Я решился пойти на это потрясающее зрелище для того, чтобы быть однажды в жизни очевидным свидетелем события, подобные которому мне беспрестанно встречались в описаниях при занятии историей. Меркантильное направление Петербурга поспешило из этого извлечь для себя выгоду: продавались довольно дорогою ценою скамьи, с которых удобно было видеть совершаемую казнь. Преступник, которого я до тех пор не видел, оказался молодым человеком лет 25-ти, чрезвычайно бледный и до такой степени истощенный, что, когда его ввели на эшафот и привязали к позорному столбу, он не устоял на месте и упал, но был поднят палачами. При вступлении на эшафот он положил на себя крестное знамение. Полицейский чиновник прочитал приговор, слова которого не доходили до моих ушей. Потом взошел к нему на эшафот священник, протоиерей Полисадов, бывший прежде профессором в университете, прочитал над ним отходную, дал ему поцеловать крест и удалился. Палачи стали надевать на него рубашку с колпаком, закрывавшим голову. Преступник сам помогал надеть на себя эту роковую рубашку. Палачи туго завязали ему назад руки, свели с эшафота и повели к виселице, сделанной глаголем и поставленной вправо от эшафота. Когда его подвели к петле, палач сделал ему два удара петлею по затылку, потом накинул ему петлю на шею и быстро поднял вверх по блоку. Я посмотрел на часы и заметил, что в продолжение четырех минут повешенный кружился в воздухе, бил ногою об ногу и как бы силился освободить связанные руки; затем движения прекратились, и в продолжение получаса преступник посреди совершенно молчавшей толпы висел бездвижно на виселице. Через полчаса подъехал мужик с телегой, на которой был простой некрашеный гроб. Палачи сняли труп и положили в гроб. Отряд солдат с ружьями провожал его в могилу, приготовленную где-то на острове Голодае. Толпа разошлась. Публика, как я заметил, относилась к этому событию совершенно по-христиански: не раздалось никакого обвинения и укора; напротив, когда преступника вели к виселице, множество народа крестилось и произносило слова: „Господи, прости ему грех его и спаси его душу!" Я достиг своей цели: видел одну из тех отвратительных сцен, о которых так часто приходится читать в истории, но заплатил за то недешево: в продолжение почти месяца мое воображение беспокоил страшный образ висевшего человека в белом мешке — я не мог спать. Успокоившись, я принялся за свои обычные занятия историею последних лет Речи Посполитой и разбирал материалы, хранящиеся в Литовской метрике при правительствующем Сенате». Только размеренный, хоть и тяжелый труд заставил его забыть недавнее зрелище. Он упорно трудился над публикациями актов Южной и Западной России, почти каждый год выпуская по тому. Затем напечатал в «Вестнике Европы» монографию о гетманстве Юрия Хмельницкого, «составленную по делам московского архива, и статью о первом разделе церквей при патриархе Фотии, написанную по поводу вышедшей тогда немецкой книги Гергенретера». Остальное время было отдано исключительно «Последним годам Речи Посполитой», публикация которой началась в 1869 году. Эти отнимающие много времени и сил занятия чередовались с чтением лекций. Посетив в 1870 году Киев, Костомаров вернулся домой с ревматической болью в затылке, которая с тех пор его не отпускала.
«Только в свободные от этой боли часы, — рассказывал он, — я мог предаваться прежнего рода трудам. В это время я написал и поместил в „Вестнике Европы" статью „Начало единодержавия в Древней Руси". Эта статья была сокращением мыслей, изложенных в более подробном виде в моих публичных лекциях, читанных в клубе художников в 1869— 70 годах, и по своей задаче составляла как бы продолжение статьи „О федеративном начале", появившейся некогда в „Основе". Я доказывал, что единодержавие у нас, как и везде в свете, явилось вследствие факта завоевания страны. Завоевателями нашими были татары — и первыми единодержавными обладателями Русской земли и ее народа были татарские ханы. Тогда вместо общинного старинного быта, не прекратившегося в удельные времена при князьях Рюрикова дома и выражавшегося автономическим значением земель или городов, появился своеобразный феодализм. С падением могущества золотоордынских ханов роль единодержавных обладателей стала переходить на их главнейших подручников — великих князей, которыми, по утверждении великокняжеского достоинства в Москве, делались один за другим князья московские, разрушая феодальные элементы и сосредоточивая верховную власть в одни руки. Я старался вывести характер московского владычества из самой истории его образования.
В 1871 году я напечатал в „Вестнике Европы" три статьи. Первая из них — „История раскола у раскольников" — заключала разбор неизвестного в печати исторического сочинения Павла Любопытного. В этом разборе я избрал себе задачею объяснить культурное значение великорусского раскола в духовной жизни русского народа. Другая статья — „О личности Ивана Грозного" — написана по поводу речи К. Н. Бестужева-Рюмина, где почтенный петербургский профессор вознес царя Ивана до небес как великого человека. Тогда же напечатано было там же рассуждение „О личности Смутного времени". В этой статье я указывал на то неприятное обстоятельство, что многие важнейшие личности знаменитейшего периода нашей истории, как, например, Михаил Скопин-Шуйский, Минин и Пожарский, представляются с такими неясными чертами, которые не позволяют историку уразуметь и в точности очертить их характеры. Статья эта вооружила против меня Ивана Егоровича Забелина и дала повод на его возражение писать в опровержение новую статью в 1872 году. Г. Забелин сообщал такой взгляд, что в России главную роль играл народ всею своею массою, а не типичными личностями, и потому историку не нужно гоняться за отысканием заслуг отдельных исторических лиц.
…Впоследствии на меня начал за то же нападать в московских газетах и Погодин, но последний прямо хотел доказать, что личности, за которыми я признавал неясность по источникам, напротив, очень ясны, и при этом приводил разные летописные похвалы, желая показать, что это именно те черты, в которых я как бы преднамеренно не усматривал никаких характеров. Возражения Погодина отзывались устарелостью, так как при современном состоянии науки всякий занимающийся ею легко мог понять, что чертами характеров нельзя называть похвалы летописцев, расточаемые обыкновенно по общим, предвзятым для всех приемам. Известно, что летописец о редком старинном нашем князе не наговорит несколько лестных слов в похвалу его добродетелям, но приводит обыкновенно такие черты, которые не представляют ничего присущего отдельному лицу, независимо от нравов того времени. С половины 1871 года я принялся за большой труд — писать сочинение „Об историческом значении русского песенного народного творчества". Это было расширение того давнего моего сочинения, которое некогда служило мне магистерской диссертацией. В 1872 году я начал помещать его в московском журнале „Беседа", издаваемом Юрьевым, но печальная судьба этого журнала, присужденного по не зависящим от редакции причинам прекратить преждевременно свое существование, лишила меня возможности окончить печатание моего труда. Я успел выпустить в свет только черты древнейшей русской истории доказацкого периода южнорусской половины, насколько она выразилась в народной песенности…
В 1872 году, продолжая в „Беседе" печатание моего сочинения о русской песенности, я начал писать статью „Предания первоначальной русской летописи", стараясь доказывать, что на события русской истории, до сих пор считаемые фактически достоверными, надобно смотреть более как на выражение народной фантазии, облекшейся в представления о фактах, долго признаваемых на самом деле случившимися… Разные газетные нападки и всякого рода печатные и словесные клеветы мало меня раздражали и вообще почти не мешали ходу моих ученых и литературных занятий, но нервные боли, проявлявшиеся прежде, как и теперь, преимущественно головными и глазными страданиями, составляли для меня постоянное несчастие. Я чувствовал, что под гнетом этих болей мои умственные силы ослабевали, пропадала энергия, мучило невольное бездействие, а если брал над собою волю, то это стоило мне больших усилий и я сознавал, что физические страдания отпечатлевались на моих произведениях, а перо мое делалось вялым, — по крайней мере, как я чувствовал, лишено было той живости, какую имело бы при более нормальном состоянии моих телесных сил. Еще более наводила на меня страх и уныние грустная мысль, что в будущем я должен ожидать себе худшего состояния и быть лишенным зрения, а с ним и возможности заниматься наукою, тогда как занятие это стало для меня необходимым как воздух».