Плавания мичмана Макарова, в том числе на броненосной лодке «Русалка», получившей пробоину и севшей на мель, а также случаи гибели кораблей от полученных пробоин в отечественном и зарубежных флотах послужили поводом к написанию Макаровым «Исследований по непотопляемости судов», статей, опубликованных в трёх номерах «Морского сборника» за 1870 год.
Макаров определил непотопляемость (термин, введённый им в судостроение) как способность судна плавать и не терять своих боевых качеств от полученных пробоин..
«В этом первом своём научном исследовании Макаров предлагал ряд устройств для откачивания воды, свой знаменитый рейковый пластырь для быстрой заделки пробоины, систему затопления отдельных отсеков корабля для выравнивания крена и дифферента» (А.Н.Крылов).
Рейковый пластырь «представлял собой полотнище холста, на которое нашивали рейки из дерева, сверху также обтянутые холстом» («Самые знаменитые кораблестроители России», М. «Вече», 2002).
Этот пластырь использовался на всех кораблях Балтийской эскадры, а в 1873 году Макаров представил свой пластырь на Всемирную выставку в Австрии, после чего пластырь стал использоваться во всех флотах. Макаров также написал статью «О прекращении подводной течи на судах».
« Часть предложений Макарова была принята и осуществлена, но самое важное из них — выравнивание корабля затоплением неповреждённых отделений — показалось Морскому техническому комитету столь великой ересью, что понадобилось 35 лет, гибель Макарова, Цусима,... чтобы убедить в справедливости, практической важности и осуществимости идей 22-летнего мичмана Макарова» (А.Н.Крылов).
Адмирал А.А.Попов, занимавшийся постройкой броненосного флота, с 1872 года привлёк лейтенанта Макарова к обеспечению непотопляемости новых кораблей, на основе чего Макаров в 1875 году издал работу «О непотопляемости судов», где предлагал разделять корпус судна на отсеки водонепроницаемыми поперечными переборками, создать второе дно и второй борт, разделив их на мелкие отсеки.
В статье «В защиту старых броненосцев и новых усовершенствований» (1886 год) С.О.Макаров показал гибельные последствия конструкционных недостатков кораблей (продольных переборок без дверей, что приводило к крену и опрокидыванию корабля при полученной пробоине).
В другой статье — «Разбор элементов, составляющих боевую силу судов» (1894 год) Макаров на примере гибели новейшего английского броненосца «Виктория» показал, к чему приводят недостатки в обеспечении непотопляемости судна.
В 1897 году погиб броненосец «Гангнут», о конструктивных недостатках которого Макаров говорил неоднократно, но и эта катастрофа не привела к коренному изменению взглядов в организации кораблестроения с целью соблюдения принципов непотопляемости судов.
Эти идеи (в развитие теории непотопляемости судов) развивались С.О.Макаровым, начиная с первой, мичманской, работы, в течение всей жизни как теоретически совместно с А.Н.Крыловым, так и на практике с использованием модельных испытаний.
Особое внимание С.О.Макаров уделял также исследованию подводных течений, что имеет большое значение в смысле постановки мин. Его девизом было «Помни войну», поэтому им были изучены течения на поверхности - из Чёрного моря в Мраморное, а на глубине - обратно. Результатом этой работы стал выдающийся труд «Об обмене вод Чёрного и Средиземного морей», который был напечатан в «Записках» Академии Наук, и за него автор получил «неполную премию митрополита Макария». Для этих исследований им были сконструированы и изготовлены судовыми средствами приборы, точность показаний которых им специально проверялась. В 1894 году вышла книга Макарова «"Витязь" и Тихий океан», получившая Макарьевскую премию Академии Наук и большую золотую медаль Географического общества. Благодаря этим трудам С.О.Макаров стал одним из основоположников океанографии, а название корвета «Витязь» среди названий других самых выдающихся исследователей Мирового океана указано на фронтоне Океанологического музея в Монако.
Он считал, что любое плавание, будь это боевой или учебный поход, должно сопровождаться океанографическими исследованиями, и этому принципу он следовал неукоснительно.
О применении же быстроходных минных (торпедных) катеров Макаров писал: «Развитие минного и механического дела совершенно опрокидывает все сложившиеся временем понятия о боевой силе судов... Правда, что малые минные суда не защищены бронёй от артиллерии больших, но, с другой стороны, и большие не защищены бронёй от мин малых".
В 1886-89 годах Макаров на корвете «Витязь» находился в плавании 993 дня, за это время пройдено 59269 миль, проведены гидрологические работы во время плавания по Тихому океану, этот труд из двух громадных томов под заглавием «"Витязь" и Тихий океан» был напечатан Академией Наук и получил полную Макарьевскую премию, был оценён Географическим обществом как достойный золотой медали и получил высокую оценку зарубежных обществ как «классический труд, являющейся настольной книгой по океанографии».
В январе 1890 года С.О.Макаров «за отличие по службе» был произведён в контр-адмиралы.
В 1891 году контр-адмирал Макаров был назначен на пост главного инспектора морской артиллерии, об этом периоде его жизни А.Н.Крылов писал: «В обстоятельной двухтомной биографии С.О.Макарова, составленной его другом и почитателем проф. Ф.Ф.Врангелем, перечень и беглая оценка всего сделанного Макаровым в области морской артиллерии занимает 102 страницы...» К этому периоду работы относится и его знаменитое изобретение — «макаровские колпаки» для бронебойных снарядов: Макаров предложил надевать на головку бронебойного снаряда колпачок из мягкого металла, который в момент пробивания брони сохранял целостность бронебойной головки и служил «смазкой» для снаряда. Снаряды с «макаровскими колпаками» вскоре появились на флотах разных держав.
«По законам того времени Макаров имел право взять на своё изобретение патент во всех странах и нажил бы миллионы... Но не таков был Макаров, истинный патриот, он всем, даже жизнью, жертвовал на благо своей родины, как это доказала его безвременная гибель» (А.Н.Крылов).
Из всех предлагавшихся адмиралом Макаровым нововведений и изобретений идея постройки ледокола «вызвала едва ли не самое сильное и упорное противодействие...» (А.Н.Крылов). При поддержке великого русского учёного Д.И.Менделеева вице-адмиралу Макарову удалось убедить и кораблестроителей, и министра финансов С.Ю.Витте в необходимости постройки ледокола. Макаров своего добился, и ему было поручено составить проект ледокола «Ермак» и следить за его постройкой.
При проектировании корабля Макаров в полной мере сумел реализовать свои предложения по непотопляемости судна. Постройка «Ермака» обошлась в полтора миллиона рублей, но уже в первый год работы ледокол спас броненосец «Генерал-адмирал Апраксин», стоимостью 4,5 миллионов рублей и провёл 50 пароходов, застрявших во льдах.
Этот ледокол с перерывом на смутное время (с 1918 года по тридцатые годы) своё сорокалетие отметил участием в снятии папанинцев со льдины, в том же году он достиг рекордной широты, не дойдя до Северного полюса всего 415 миль. Последнее своё плавание «Ермак» совершил в 1964 году (!). При этом вспомним, что постройка ледокола была закончена в феврале 1899 года, то есть «Ермак» прослужил 65 лет.
Но роль адмирала С.О.Макарова по внедрению в жизнь разного рода изобретений и технических новшеств не ограничивается только тем, что было изложено выше. Одним из первых он понял преимущества изобретённой А.С.Поповым радиосвязи, которая широко использовалась во время снятия с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», спасательная операция продолжалась 84 дня, и за это время было передано 440 радиограмм. В поздравительной радиограмме на имя изобретателя Макаров писал: «От имени всех кронштадтских моряков сердечно приветствую вас с блестящим успехом вашего изобретения. Крупнейшая научная победа. МАКАРОВ».