В 1909 году Эссен — начальник морских сил Балтийского моря, с 1911 года — командующий флотом Балтийского моря. Он добился коренной перестройки деятельности всех учреждений, поставив их на службу потребностям действующего флота. Показал себя прямым последователем идей С. О. Макарова, руководил разработкой и принятием в 1912 году плана действия флота на случай войны, созданием минно-артиллерийских позиций для обороны петербургского направления.
«За это время деятельность нашего Балтийского флота неразрывно связана с именем Н. О. Эссена, — сообщал „Морской сборник“, — и она проходила незаметно для нашего общества, которое совершенно не знало, что делается на наших многочисленных кораблях. За этот период Эссен из начальника отряда минных крейсеров сделался начальником морских сил Балтийского моря и добился подчинения себе всех портовых учреждений, совершив этим самым крупную ломку в организации наших морских сил и проведя идею, согласно которой все береговые учреждения должны служить и существовать для флота, а не наоборот. В этом деле он является прямым последователем идей адмирала С. О. Макарова».
Командуя Балтийским флотом, ещё в 1912 году вице-адмирал Эссен предвидел главенствующую роль флота в будущей войне и в связи с этим обратился в Государственную Думу с письмом, в котором указывал, «что всякое отклонение вопроса о создании флота убьёт дух личного состава и тогда не создать России флота, каких бы трудов и денег на это не жертвовали… Линейный флот, укреплённая база и сильная подвижная минная оборона — вот три фактора, без которых немыслимо думать о какой-либо обороне Балтийского побережья».
В 1913 году Николай Оттович был удостоен звания полного адмирала. Он упорно и плодотворно трудился над разработкой плана действий Балтийского флота в войне и успешно руководил его осуществлением в начале Первой мировой. «Война решается боем, — объявлял он накануне войны с Германией в своём приказе по Балтийскому флоту 19 июля 1914 года. — Пусть каждый из вас напряжёт все свои силы, духовные и телесные, приложит все свои знания, опыт и умение в день боя, чтобы наши снаряды и мины несли бы гибель и разрушение в неприятельские боевые строи и корабли».
15 июля Австро-Венгрия объявила войну Сербии, и адмирал Эссен приказал выключить все маяки на Балтике. Из данных радиоперехватов Эссен знал, что германский флот на Балтике начал переходить в Данциг. Однако, несмотря на необъявленную мобилизацию в Германии, Николай II запретил минные постановки. Адмирал, помня о судьбе Порт-Артура, 17 июля 1914 года послал телеграмму морскому министру: «Если не получу ответ сегодня ночью, утром поставлю заграждение».
В ночь на 18 июля пришла телеграмма министра о возможности появления германских сил у Центральной позиции. Эссен собрал совет флагманов и отдал приказ о постановке минных заграждений.
Когда поступило разрешение ставить мины, корабли были уже на позиции. А 19 июля Германия объявила войну России. В тот же день адмирал издал приказ, в котором поздравил моряков с днём, «к которому они готовились всею жизнью и службой». Первоначально действовали оборонительно. Германские лёгкие силы обстреляли Либаву, оставленную русскими.
Через неделю выставили минное заграждение в проходе, оставленном для купеческих судов в Наргене. Эссен обрадовался, ибо в этом месте следовало ставить свои мины. Явно немцы пока не собирались действовать против Финского залива, однако и Эссену были запрещены активные действия западнее Оденсхольма. Но комфлотом был настороже. Из Боевой летописи:
«26 августа. Германский крейсер „Магдебург“, участвуя совместно с лёгким крейсером „Аусбург“ и 2 миноносцами в операции против русских в тумане дозорных кораблей в устье Финского залива, ночью в тумане наскочил на риф у северной оконечности острова Оденсхольм. Повреждённый неприятельский крейсер был тотчас обнаружен русским постом связи и наблюдения в Оденсхольме. По его донесению командующий флотом Н. О. Эссен спешно вызвал на место аварии крейсера и миноносцы. Исчерпав за ночь все средства для того, чтобы снять корабли с камней, командир „Магдебурга“ решил перевести личный состав крейсера на находившийся при нем миноносец „У-26“, а крейсер взорвать.