Кроме парохода «Тамань» (1881–1882 гг.), Макаров командовал фрегатом «Князь Пожарский» (1885 г.), а затем — корветом «Витязь» (1886–1889 гг.), на котором совершил кругосветное плавание. С. О. Макаров внес значительный вклад в развитие отечественной океанографии, в том числе и аппаратных исследований Мирового океана, им был сконструирован один из первых надежных батометров (прибор для взятия проб воды с различных глубин).
«Природа на каждом шагу ставит вам препятствия, и тот, кто много плавал, привыкает верить, что нет работы без препятствия и что всякое препятствие надо тотчас же устранять. В бою тоже на каждом шагу будут препятствия. Если человек привык их устранять, то он и в бою их устранит»
17 сентября 1885 г. Макаров назначен командиром корвета «Витязь». Командуя им, с 24 мая 1886 г. по 25 июня 1889 г. находился в кругосветном плавании. «Витязь» почти три года бороздил океанские просторы, и все это время Макаров вместе с экипажем проводил в Тихом океане обширные и многочисленные научные исследования, опубликовав затем двухтомный труд «Витязь» и Тихий океан», получивший высокую оценку в научных кругах и вошедший в золотой фонд мировой морской науки. Когда в 1889 г. Макаров вернулся из кругосветного плавания на корвете «Витязь», его заслуги уже нашли признание со стороны российских ученых. Академия наук отметила его Макариевской премией (1887 г.) за исследования вод Средиземного моря и Тихого океана, а Русское географическое общество наградило золотой медалью. Будущий флотоводец утверждал, что исследовательская деятельность полезна и даже обязательна для моряков военных кораблей — она не только расширяет кругозор, но и учит действовать в боевой обстановке.
«Морякам больше, чем кому-либо, необходимо усвоить мысль: погибнуть с честью! Будьте убеждены, что без этой твердой решимости ничего великого не делается. Только тот и побеждает, кто не боится погибнуть!»
Постоянная деятельность не просто обязательный, а единственно возможный образ жизни для Макарова. «От работы, даже направленной по ложному пути, даже от такой, которую пришлось бросить, остается опыт. От безделья, хотя бы вызванного самыми справедливыми сомнениями в целесообразности дела, ничего не остается». И как итог, как главный завет адмирала: «Проводи каждый день так, как если бы это была вся твоя жизнь».
Даже в короткий сухопутный отпуск Степан Осипович вспоминает море. Его привлекала красота и стройность парусных кораблей. Как все настоящие моряки, он любил корабли самой сильной и самой пылкой любовью. Она видна в каждом поступке, каждом дне жизни Макарова. «Будущим морякам предстоит плавать не с теми кораблями и не с теми средствами, но можно пожелать, чтобы в них была та же любовь к изучению природы, чтобы они были создателями рукотворного мира освоенных человеком океанских просторов, которые сделали людей еще богаче, еще счастливее», — говорил он. Океанская стихия была подлинной страстью Макарова. «В море — значит дома», «В море я у себя дома, а на берегу в гостях», — это его слова. «Даже в тихой деревенской жизни… я мечтаю по временам о море; тогда забываются все неудобства и представляется одна светлая сторона: туго натянутые паруса, педантическая чистота, ловкая, веселая команда, великолепные шлюпки с парусами, вымытые лучше дамских манишек, и звонкая команда вахтенного лейтенанта».
Море, с точки зрения влюбленного в него Макарова, оказывает даже очищающее, благотворное моральное воздействие на душу человека. «Море имеет свою хорошую сторону. Человек становится добрее, он забывает свои сомнения и опасения, он делается простодушнее, прямее и откровеннее!»
Вскоре после возвращения из кругосветного плавания контр-адмирал Макаров был назначен исполняющим должность главного инспектора морской артиллерии (1891–1894 гг.). За три года, несмотря на неповоротливость флотской бюрократии, ему удалось сделать для совершенствования корабельной артиллерии очень много. Главным итогом его труда стало изобретение весной 1892 г. нового приспособления — бронебойного наконечника к снарядам, т. н. макаровского колпачка, который, однако, был внедрен в практику русского флота лишь после его смерти. «Колпачки Макарова», которые значительно повышали эффективность снарядов по пробиванию брони, были взяты на вооружение во всех флотах мира.