Ещё не раз с эскадрой выходил в море «Новик», показывая выучку экипажа, готовность к бою. В середине марта, во время одного из выходов эскадры, из-за неумелого маневрирования столкнулись два эскадренных броненосца «Севастополь» и «Пересвет». Макаров решил заменить командира «Севастополя», пригласил к себе Эссена.
— Принимайте «Севастополь», — кратко приказал он.
Эссен опешил. Хотя броненосец — это повышение, но он тихоходен.
— Ваше превосходительство, «Новик» — мой родной крейсер, лихое судно и экипаж сплавался…
Макаров, поглаживая бороду, усмехнулся:
— Вот-вот, для службы на «Севастополе» вы будете нужны. Вашу хватку я вижу.
Вступив в командование, Эссен через неделю-другую увидел плоды своих усилий. Экипаж броненосца с душой принял нового командира. К сожалению, 31 марта, в день гибели Макарова, «Севастополь» и другие броненосцы из-за сильного прижимного ветра долго не смогли отойти от стенки, и Макаров приказал броненосцу оставаться в бухте. Непродолжительное общение с вице-адмиралом С. Макаровым наложило отпечаток на всю дальнейшую службу Н. Эссена, воспринявшего методы ведения боевых действий своего флагмана.
Новый командующий эскадрой, контр-адмирал В. Витгефт, вначале поднял свой флаг на «Севастополе». Вскоре Эссен настаивает на активных действиях, вплоть до прорыва эскадры во Владивосток, но осторожный флагман противится и в конце концов из-за разногласий с флаг-капитаном переносит свой флаг на «Цесаревича».
И всё-таки от наместника поступает указание прорываться во Владивосток. Во время этой безуспешной попытки 10 июня, при возвращении, «Севастополь» подорвался на вражеской мине и получил большую пробоину в носовой части. Спустя полтора месяца броненосец под командой уже капитана 1-го ранга Эссена снова вышел в море. 28 июля Витгефт вторично повёл эскадру для прорыва во Владивосток. При выходе эскадры флагман поднял сигнал: «Приготовиться к бою. Государь император повелел идти во Владивосток». Бой с превосходящим противником продолжался до темноты, окончился потерей нескольких кораблей, гибелью Витгефта, прорывом части эскадры в нейтральные порты Китая.
«Севастополю» досталось, он шёл почти концевым в строю. Из-за повреждений ход упал до 8 узлов, и броненосец вернулся в Порт-Артур. После ремонта «Севастополь» 10 августа снова подорвался на мине и вышел из строя на два месяца. Теперь японцы обстреливали броненосец с окружающих высот. Часть команды и орудий свезли на берег для усиления обороны Порт-Артура. В конце ноября Эссен добился разрешения у нового флагмана, контр-адмирала Р. Вирена, вывести «Севастополь» на внешний рейд, в бухту Белый Волк. Организовав надёжную противоминную оборону, броненосец своим огнём отбивал атаки неприятеля на Порт-Артур. Японские миноносцы в течение декабря произвели шесть безуспешных ночных атак, выпустив 180 торпед. Но всё же из-за близких разрывов в обшивке появилась течь, и броненосец принял 2500 тонн воды.
По броненосцу вели огонь и японские крейсера, и один из снарядов практически вывел «Севастополь» из строя, и он превратился в плавучую батарею. Н. Эссена назначили начальником Ляоташанского отдела обороны с подчинением ему сухопутных частей и береговой обороны. Между тем дело шло к капитуляции. От Вирена в ночь на 20 декабря поступило распоряжение выполнить секретный приказ об уничтожении всех кораблей эскадры. По условиям капитуляции надлежало все корабли без взрывов затопить в бухте. Эссен, единственный из всех командиров, сумел отбуксировать «Севастополь» для затопления на глубокое место, что не позволило занявшим Порт-Артур японцам использовать его в своих целях.
Капитан 1-го ранга Н. Эссен последним покинул борт погружавшегося в воду «Севастополя». После плена в марте 1905 года Эссен вместе с другими офицерами возвращается на родину. За боевые заслуги Эссен был награждён орденом Святого Георгия IV степени и золотым оружием с надписью «За храбрость». Он занимает должность заведующего стратегической частью военно-морского учёного отдела Главного морского штаба, командира 20-го флотского экипажа, с марта 1906 года — командир строящегося в Англии броненосного крейсера «Рюрик».
Но вскоре Эссена отозвали, произвели в контр-адмиралы, и он возглавил отряд минных крейсеров, построенных на добровольные пожертвования для Балтийского флота. По сути, на Балтике в то время не было действенного флота. В разгромленных Тихоокеанских эскадрах, отправленных с Балтики, ушли на дно лучшие корабли Балтийского флота. Именно Н. Эссену выпало заняться восстановлением боеспособного флота. Манёвры 1908 года выявили низкую боеспособность устаревших кораблей флота. Кроме того, все отряды на Балтике были разобщены, и в конце кампании Н. Эссен назначается начальником Соединённых отрядов, ядра будущего флота. Начинается строительство линейных кораблей, основы ударной силы. Но Эссен не забывает уроков Порт-Артура и обращает особое внимание на подготовку минных заградителей для борьбы с минами специальных сил траления. Вскоре Н. Эссен был произведён в вице-адмиралы.