Примечательно, что до этого он успел послужить на 11 кораблях и принять участие в нескольких дальних морских походах. В 1861 г. на винтовом клипере «Стрелок» и винтовом транспорте «Манчжур» ходил из Николаевска в залив Де-Кастри и порт Дуэ. С июля 1863 г. по май 1864 г. в составе эскадры Тихого океана под флагом вице-адмирала А. А. Попова ходил к берегам Северной Америки, и в октябре 1864 г. возвратился из плавания в Морское училище в Николаевск-на-Амуре. С ноября 1866 г. по май 1867 г. на корвете «Аскольд» в составе эскадры контр-адмирала Ф. С. Керна прошел по маршруту Нагасаки — мыс Доброй Надежды — Кронштадт. 14 июля 1867 г. за выдающиеся успехи в науках произведен «не в пример прочим» вместо кондукторов корпуса штурманов в гардемарины, а в июле того же года назначен в 1-й флотский экипаж Балтийского моря.
Монета в честь 300-летия Российского флота с барельефом ледокола «Ермак» и адмирала С. О. Макарова
С 16 сентября 1867 г. по 28 июня 1868 г. Макаров ходил на корвете «Дмитрий Донской», и в октябре 1868 г. публикует в «Морском сборнике» свою первую научную работу — «Инструмент Адкинса для определения девиации в море». С 17 сентября
1868 г. по 25 мая 1869 г. находился в заграничном плавании на корвете «Дмитрий Донской». С 24 июня по 8 сентября 1869 г. ходил на броненосной лодке «Русалка» в составе броненосной эскадры Балтийского флота.
Первое офицерское плавание Макарова на броненосной лодке было неудачным. «Русалка» напоролась на подводный камень, и только благодаря счастливому стечению обстоятельств ее удалось посадить на мель. В марте-июне 1870 г. Макаров опубликовал в «Морском сборнике» статью «Броненосная лодка «Русалка». За частным случаем молодой мичман увидел проблему всего флота — неподготовленность кораблей и экипажей к действиям при повреждении корпуса. Макаров засел за книги, провел сложные расчеты. Результатом стал труд, посвященный борьбе за непотопляемость корабля. «Тот, кто видел потопление судов своими глазами, хорошо знает, что гибель корабля не есть простая гибель имущества; ее нельзя сравнить ни с пожаром большого города, ни с какою другою материальною потерею. Корабль есть живое существо, и, видя его гибель, вы неизбежно чувствуете, как уходит в вечность этот одушевленный исполин, послушный воле своего командира. Корабль безропотно переносит все удары неприятеля, он честно исполняет свой долг и с честью гибнет, но не к чести моряков и строителей служат эти потопления, за которые они ответственны перед своей совестью. Корабль может и должен быть обеспечен от потопления».
Прижизненное фото С. О. Макарова (1848–1904)
Теория непотопляемости корабля стала одной из важнейших его разработок. Степан Осипович настаивал на выделении непотопляемости в отдельную научную дисциплину. К январю — марту 1870 г. относится едва ли не самое известное его открытие — изобретение пластыря (шинкованного мата) для заделки пробоин судов. В морском обиходе появился новый термин «пластырь Макарова». 22-летний мичман разработал не только новые способы заделки пробоин пластырем, который во всем мире носит его имя, но и создал оригинальную водоотливную систему и герметические крышки на палубные люки, заложив тем самым основы непотопляемости корабля (Lieutenant Makaroff's Patent safety mats for instantly stopping leaks in ships bottoms). Способами заделки пробоин заинтересовались за рубежом, и Макарова командировали для демонстрации его изобретения на Всемирную выставку в Вену (17–21 декабря 1873 г.).
Вопросами непотопляемости Макаров занимался более 30 лет, с первого офицерского плавания на броненосной лодке «Русалка», которое едва не закончилось трагически. Когда же через 23 года «Русалка», выйдя из Ревеля, попала в шторм и затонула, Степан Осипович тяжело переживал гибель корабля, ради жизни которого начал свой многолетний подвижнический труд борьбы за непотопляемость.
Макаров стал героем русско-турецкой войны 1877–1878 гг., в ночь на 14 января 1878 г. атаковал торпедами турецкий сторожевой пароход «Интибах» на батумском рейде и потопил его, впервые в мире успешно применив торпедное оружие. Как и большинство русских людей, С. О. Макаров воспринимал эту войну как благородное дело освобождения славян на Балканах. «Быть военным моряком и оставаться в стороне от большой справедливой войны — не самая яркая строка в офицерском послужном списке», — говорил он.