В течение первых пяти лет работы на заводе С.И. Мосин получил богатую производственную практику, попробовав свои силы в инструментальном деле, починочной, замочной и приборной мастерских.
По собственной инициативе он организовал на заводе машинное производство охотничьих ружей, что дало ему немалый технологический опыт. С октября 1877 по февраль 1880 года он возглавлял основное — замочное производство. В это время на тульском заводе предполагалось организовать выпуск усовершенствованной винтовки, но этому помешала русско-турецкая война 1877-1878 годов.
В 1880 году С.И. Мосин был назначен начальником инструментальной мастерской завода. Эта мастерская обеспечивала производство мерительных и поверочных инструментов, лекал, шаблонов, в ней были заняты лучшие мастеровые и инструментальщики. В 1881 году здесь было изготовлено по пять образцов магазинных (то есть "снабженных приспособлениями, в которых было собрано несколько патронов в целях ускорения перезаряжания оружия") ружей системы Кропачека и Гочкиса. К этому времени С.И. Мосин уже был известен как специалист в области стрелкового вооружения. В 1881 году, по распоряжению Главного артиллерийского управления, он был назначен членом "Комиссии для осмотра механических средств и зданий" Сестрорецкого и Ижевского заводов. Это дало ему возможность познакомиться с организацией производства на этих заводах, а также более подробно изучить состояние русского оружейного дела. К этому времени встал вопрос о перевооружении русской армии малокалиберной магазинной винтовкой.
С.И.Мосин
Клеймо ижевского завода
В 1882 году С.И. Мосин самостоятельно начал работу по переделке однозарядной винтовки Бердана в магазинную винтовку. В 1883 году в России была образована "Особая комиссия для испытания магазинных ружей", в состав которой, в числе других оружейников, вошел и С.И. Мосин. Летом 1883 года он представил на рассмотрение Комиссии разработанные им образец магазинной винтовки, которая представляла из себя винтовку Бердана образца 1870 года с оригинальным реечно-прикладным магазином на 8 патронов. Сущность устройства магазина сводилась к следующему: патроны помещались в овальной трубке, находившейся внутри приклада. Для подачи патронов служила сцепленная с затвором рейка, зубцы которой захватывали закраины патрона. При отводе затвора назад рейка подавала патрон настолько, что он мог быть захвачен затвором. Патроны в магазине располагались наклонно, так что пуля одного патрона не упиралась в капсюль другого, что приводило к практической безопасности магазина Мосина и выгодно отличало его винтовку от иностранных систем.
В 1884 году, по предписанию Главного артиллерийского управления, С.И. Мосин был командирован в Петербург, где в это время происходили очередные испытания магазинных винтовок. Комиссия одобрила винтовку, представленную М.И. Мосиным, но из-за ряда недоработок на вооружение армии она принята не была. Мосин продолжал совершенствовать свою винтовку, разработав пять ее вариантов. В частности, он создал образец уже на 12 патронов. В 1885 году Комиссия признала винтовку С.И. Мосина лучшей из 119 других систем, и заказала Тульскому оружейному заводу изготовления тысячи образцов для проведения широких войсковых испытаний, указав на необходимость доработки некоторых деталей.
В 1887 году С.И. Мосин начал работать над созданием малокалиберной винтовки. При этом, первоначально, магазин должен был размещаться в прикладе, однако, вскоре, Мосин отказался от данного решения и приступил к разработке винтовки с серединным размещением патронов. В частности, для отсекания патронов в вертикальном серединном магазине, С.И. Мосин предложил использовать отсечку-отражатель. Это устройство, безусловно, исключало возможность двойной подачи патронов, что было существенным недостатком других образцов, представленных в комиссию.
Испытания завершились 19 марта 1891 года. Комиссии предстояло решить, чью винтовку принять на вооружение. Голос председателя Комиссии решил вопрос в пользу С.И. Мосина. Его поддержал известный русский оружейник В.Л. Чебышев. Указав, что винтовка Нагана дала на стрельбах 554 задержки, а винтовка Мосина — только 213, он признал ее "громадные преимущества перед системой Нагана". Официально окончательный вариант винтовки по протоколу Комиссии именовался " ...предложенный гвардейской артиллерии капитаном Мосиным образец новой пачечной (магазинной) винтовки уменьшенного калибра и патрона к ней, спроектированного комиссией для выработки малокалиберного ружья, а также пачечной обоймы, предложенной иностранцем Наганом". 13 апреля 1891 года военный министр Ванновский представил Императору Александру III доклад "Об утверждении образца пачечного трехлинейного ружья системы капитана Мосина". В докладе он предлагал именовать его "Русская винтовка образца 1891 г.", основываясь на том, что "в окончательной разработке винтовки участвовал не один капитан Мосин". Здесь имелось в виду участие членов Комиссии и, в частности, Леона Нагана, чья коробчатая обойма была принята вместо пластинчатой, предложенной Мосиным. В то же время сама конструкция винтовки, ее основные детали, оригинальная компоновка, безусловно, принадлежала Мосину, и винтовка должна была носить имя своего конструктора.