20 апреля 1869 г. Артамонов назначается начальником межевого отделения при хозяйственном правлении Оренбургского казачьего войска и исключается из состава Корпуса военных топографов. В июне 1869 г. Николай Дмитриевич Артамонов, теперь уже казачий офицер, по высочайшему повелению командируется в Турцию. Официальной целью командировки являлось
Отчет Артамонова о проделанной работе был высоко оценен. Он награждается орденом Св. Владимира 4-й степени и получает звание подполковника. Его представляют императору Александру II. В 1870 г. Николай Дмитриевич уже штаб-офицер, преподает обучающимся офицерам в Николаевской академии Генерального штаба. Одновременно он назначается редактором 10-верстной карты Европейской Турции.
В 1876 году, накануне русско-турецкой войны 1877–1878 гг., по приглашению великого князя Николая Николаевича Артамонов прочел ряд публичных лекций, посвященных обзору турецкого театра военных действий. В том же году он подготовил особую записку о способах ведения военных действий на Балканском полуострове. В конце 1876 г. началось формирование Действующей армии. Подполковник Николай Дмитриевич Артамонов был направлен в армию на должность штаб-офицера над вожатыми Полевого штаба действующей армии. Эта должность была учреждена в армии в ходе военной реформы Д. А. Милютина. Еще весной 1868 г. Александр II утвердил разработанный Военным министерством проект «Положения о полевом управлении войск в мирное и военное время». Согласно этому Положению, Полевое управление действующей армии состояло из Полевого штаба и ряда других структур. Ответственность за организацию разведывательной деятельности возлагалась на начальника Полевого штаба. Существовавшие ранее должности генерал-квартирмейстера и дежурного генерала армии упразднялись, и взамен была введена должность помощника начальника Полевого штаба, который отвечал за оперативную деятельность. Он должен был осуществлять общее руководство службой Генерального штаба в военных условиях. Непосредственная же ответственность за сбор сведений о противнике на театре войны возлагалась на штаб-офицера над вожатыми, подчинявшегося начальнику Полевого штаба. В Положении отмечалось, что штаб-офицер над вожатыми
В 1877 г. началась русско-турецкая война. На Артамонова возлагалась обязанность собирать сведения о противнике и доставлять в армию надежных проводников и переводчиков. Вскоре ему пришлось параллельно возглавить Военно-топографическое отделение действующей армии.
Послужной список Артамонова и другие документы свидетельствуют, что в годы войны он состоял в свите его императорского высочества главнокомандующего при Никополе и под Плевной, находился в штабе в селе Царевка, с эшелоном Главной квартиры перешел Балканы у Шипки. Николай Дмитриевич командировался в Петербург
Несколько раз Артамонов лично предпринимал вылазки в тыл турецких войск