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).
Летом вице?адмирал Макаров предпринял первое плавание в полярные воды. Однако оказалось, что прочность носовой оконечности судна недостаточна, чтобы крушить вековые льды. Противники идеи арктического ледокола вынесли решение, что «Ермак» по конструкции непригоден для борьбы с полярными льдами. После возвращения С.О. Макаров написал книгу «„Ермак“ во льдах», доказывая, что после доработок конструкции ледокол способен работать в Арктике. Тем временем корабль в 1900 году смог освободить из ледового плена суда на Балтике, помогал снять выскочивший на камни Гогланда броненосец «Генерал?адмирал Апраксин». Когда по первой радиолинии Гогланд — Котка поступила телеграмма о том, что в море на льдине унесло рыбаков, моряки «Ермака» спасли терпящих бедствие. К весне 1901 года «Ермак» переоборудовали по проекту Макарова. Ему удалось добиться разрешения продолжить полярные исследования. Но экспедиция столкнулась у берегов Новой Земли с такими льдами, что вынуждена была вернуться. Правительство России приняло решение прекратить полярные походы ледокола, и его служба ограничилась проводкой судов на Балтийском море. Лишь в 30?е годы «Ермак» вернулся в Заполярье и долго служил флагманом ледокольного флота, прокладывая маршруты Главсевморпути до 1964 года.
6 декабря 1899 года Макарова назначили главным командиром Кронштадтского порта и военным губернатором Кронштадта; эту должность он занимал до отъезда на Дальний Восток.
В 1897 году из печати вышел основной труд С.О. Макарова — «Рассуждения по вопросам морской тактики». В 1903 году были опубликованы работы «Броненосцы или безбронные суда» и «Без парусов», в которых флагман высказал свои предложения (местами спорные) по вопросам кораблестроения и тактики броненосного флота.
Еще 22 февраля 1900 года Макаров подал записку управляющему морским министерством о слабости обороны Порт?Артура с моря и суши. Неоднократно моряк напоминал об опасности войны с Японией. За несколько дней до нападения японских миноносцев вице?адмирал вновь писал генерал?адмиралу и управляющему морским министерством об опасности.