Н.В. Маиевский систематически информировал Артиллерийское отделение о состоянии артиллерийской науки и техники, а также артиллерийского образования в государствах, которые он посетил за это время. Некоторые из этих сообщений были опубликованы на страницах «Артиллерийского журнала» в виде отчётов: «Об образовании артиллеристов на службе во Франции» (1857), «Об опытах, произведённых в Бельгии стрельбой из нарезных чугунных орудий продолговатыми снарядами» (1858), «О стрельбе эксцентрическими снарядами из длинных орудий в прусской артиллерии» (1857). 23 декабря 1857 года Маиевский возвратился в Петербург.
В 1858—1859 годах Маиевский создал баллистическую лабораторию Волкова поля и на протяжении всей своей дальнейшей жизни уделял ей особое внимание, постоянно заботясь о её пополнении новейшей аппаратурой. Поэтому понятно его несколько ревнивое отношение к своему детищу: в помещение, отведённое для приборов, Маиевский никому не разрешал входить в своё отсутствие.
Эксперименты в Меце 1856—1858 годов, проводившиеся французскими артиллеристами, не решили поставленной перед ними задачи по установлению нового закона сопротивления воздуха, который должен был заменить двучленную формулу Дидиона, опровергнутую опытом Крымской войны. Эта задача была решена в России Н.В. Маиевским. С самого начала своей научной деятельности он стремился к тому, чтобы проводимые им теоретические исследования были основаны на опыте. Теория удовлетворяла его только в том случае, если она была подтверждена практикой и отвечала насущным запросам артиллерии: «Если формулы не выражают истинных результатов стрельбы, то в таком случае баллистика входит в область наук отвлечённых и не может приносить никакой пользы артиллерийской службе».
В 1858 году Маиевский поставил опыты с целью установления нового закона сопротивления воздуха движению сферических снарядов. Избранный им метод отличался оригинальностью и основывался на решении обратной задачи внешней баллистики, т.е. на экспериментальном определении траектории центра массы снаряда и последующем двойном дифференцировании уравнения траектории. В результате был получен закон, удовлетворительно отражавший действительность до скорости, приблизительно равной 400 м/сек. Описание этих опытов Маиевский опубликовал в 1858 году в «Бюллетене Петербургской Академии наук», а на следующий год поместил в одном из номеров «Артиллерийского журнала».
В 1859 году он обработал имевшийся в распоряжении материал опытов в Меце 1856—1858 годов. Итогом этой работы был новый метод выражения закона посредством ряда простых формул для каждой из зон, на которые разбивался весь изучаемый интервал скоростей. Эти формулы, впервые опубликованные в литографированном «Курсе внешней баллистики» Маиевского, открыли новую страницу в развитии внешней баллистики и на протяжении долгих лет широко использовались при решении основных проблем этой области артиллерийской науки.
Плодотворная деятельность Маиевского в Артиллерийском отделении, выдающиеся исследования и блестяще поставленные опыты высоко подняли его авторитет в артиллерийских кругах. За отличия по службе 10 января 1858 года он был произведён в капитаны и назначен действительным членом Артиллерийского отделения Военно-учёного комитета, а 30 августа того же года стал полковником (лица, окончившие офицерские классы Михайловского артиллерийского училища, получали право на внеочередное производство в следующий чин).
Летние месяцы 1858 года Маиевский провёл на Волковом поле: опыты по установлению нового закона сопротивления воздуха движению сферических снарядов требовали его постоянного присутствия. Но и это не было основной причиной, заставлявшей Маиевского задерживаться на полигоне ежедневно до позднего вечера.
Уже во время Крымской кампании 1853—1856 годов армии воюющих государств имели на вооружении нарезные ружья — штуцера. Эффективность действия стрелкового оружия значительно возросла. Встал вопрос об увеличении дальности стрельбы артиллерии, прежде всего полевой, что также могло быть осуществлено применением нарезных систем. Артиллерийское отделение энергично приступило к проектированию и испытанию нарезных орудий. Маиевскому было поручено проведение первых опытов.
Работы по проектированию были начаты с испытания 4-фунтовой нарезной пушки. Основной задачей было установление рациональной длины хода нарезов, которая была найдена стрельбой на кучность и оказалась равной 136 дюймам. Канал 4-фунтовой пушки был нарезан согласно найденным из опыта данным, и это орудие предполагалось испытать сравнительно с 12-фунтовой гладкостенной пушкой.