После войны Макаров стал командиром парохода «Тамань», на котором по собственным приборам исследовал течения в Босфоре. До Макарова наука не знала об обратном подводном течении из Средиземного моря в Черное. Степан Осипович просчитал скорость течения на разной глубине, а также температуру и плотность воды. В 1885 году он опубликовал труд «Об обмене вод Черного и Средиземного морей». Труд был удостоен премии Академии наук.
Также он доказывал возможность использования подводного оружия — мин, а позднее и субмарин. Первым в мире он выдвинул идею быстроходных минных заградителей, разработал основные элементы судов, чьим предназначением было бы постановка системы минных заграждений у берегов противника.
Кроме того, в это же время Макаров занимался мелководными судами для плавания по Аральскому морю и рекам Амударья и Сырдарья. Он разработал приспособления для подъема тяжестей и лошадей, а также для буксировки ботов.
Как океанолог, Степан Осипович по праву считается основоположником учения о проливах Мирового океана, которые он исследовал во время своего кругосветного путешествия (1886—1889) на военном корвете «Витязь». Посетив порта Европы, Америки и Японии и пройдя свыше тридцати тысяч миль под парами и более двадцати пяти тысяч под парусами, судно вернулось в Кронштадт. По завершении плавания Макаров написал труд «"Витязь" и Тихий океан». Книга получила Макарьевскую премию Академии наук и большую золотую медаль Географического общества. Так, Степан Осипович, благодаря научно-исследовательским трудам, стал одним из основоположников океанографии. Ныне имя корвета «Витязь» среди названий других наиболее замечательных судов исследователей Мирового океана выбито на фронтоне Океанологического музея в Монако.
В свои сорок один год от роду он стал самым молодым контр-адмиралом российского флота. Еще шесть лет ему понадобилось, чтобы получить звание вице-адмирала. В этот период, часто выходя в море и работая в различных комиссиях, Макаров продолжал изобретать. Для бронебойных снарядов Макаров предложил колпаки из мягкой стали, увеличивших пробивную силу. Изобретение не засекретили, и «макаровские колпаки» скоро появились во всех иностранных флотах. Они применяются в бронебойных снарядах по сей день не только в морской артиллерии. Изобретение сулило Макарову миллионы, но он его так и не запатентовал.
Он вводил на вооружение бездымный порох, составленный Д.И. Менделеевым. В 1894—1895 годах контр-адмирал командовал эскадрой на Средиземном море, затем перешел с эскадрой на Дальний Восток и командовал ею в составе Тихоокеанской соединенной эскадры вице-адмирала С.П. Тыртова. По его поручению он подготовил приказ, включавший наставление для эскадры в бою — одну из первых инструкций для броненосного флота.
Весной 1897 года С.О. Макаров предложил построить большие ледоколы, с целью поддержания зимой навигацию в Финском заливе и Балтийском море, а летом обеспечивать морские перевозки вдоль берегов Северного Ледовитого океана. Он добился от правительства необходимых ассигнований, на них в Англии был построен первый линейный ледокол «Ермак». Уже весной 1899 года корабль показал свои возможности, пробившись сквозь льды в Кронштадтскую гавань. Через несколько дней «Ермак» освободил из ледового плена одиннадцать торговых судов недалеко от Ревеля (Таллина), взломав ледяное поле вокруг них. 1 апреля ледокол за полчаса разбил лед на Неве. В результате навигация началась раньше, чем обычно.
На «Ермаке» адмирал дважды ходил среди льдов у берегов Новой Земли и Земли Франца-Иосифа, описав экспедицию в книге «"Ермак" во льдах», до сих пор не потерявшей значимости.
В 1897 году из печати вышел основной труд С.О. Макарова — «Рассуждения по вопросам морской тактики». В 1903 году были опубликованы работы «Броненосцы или безбронные суда» и «Без парусов», в которых флагман высказал свои предложения (местами спорные) по вопросам кораблестроения и тактики броненосного флота.
При постройке кораблей адмирал обращал внимание на улучшение кубриков для матросов, а в дальних походах налаживал быт и досуг команды. Он считал, что быть в море — значит быть дома. В бытность Макарова военным губернатором Кронштадта особое внимание уделялось здоровью матросов и их питанию. Степан Осипович издал инструкцию о печении хлеба и приказ «О приготовлении щей». Мол, пример следует брать с коков Черноморского флота — у них самые наваристые борщи.
В 1903 году в труде «Без парусов» Макаров разработал вопросы обучения и воспитания моряков в мирное время.