С 16 сентября 1867 г. по 28 июня 1868 г. Макаров ходил на корвете «Дмитрий Донской», и в октябре 1868 г. публикует в «Морском сборнике» свою первую научную работу – «Инструмент Адкинса для определения девиации в море». С 17 сентября 1868 г. по 25 мая 1869 г. находился в заграничном плавании на корвете «Дмитрий Донской». С 24 июня по 8 сентября 1869 г. ходил на броненосной лодке «Русалка» в составе броненосной эскадры Балтийского флота.
Первое офицерское плавание Макарова на броненосной лодке было неудачным. «Русалка» напоролась на подводный камень, и только благодаря счастливому стечению обстоятельств ее удалось посадить на мель. В марте – июне 1870 г. Макаров опубликовал в «Морском сборнике» статью «Броненосная лодка «Русалка». За частным случаем молодой мичман увидел проблему всего флота – неподготовленность кораблей и экипажей к действиям при повреждении корпуса. Макаров засел за книги, провел сложные расчеты. Результатом стал труд, посвященный борьбе за непотопляемость корабля. «Тот, кто видел потопление судов своими глазами, хорошо знает, что гибель корабля не есть простая гибель имущества; ее нельзя сравнить ни с пожаром большого города, ни с какою другою материальною потерею. Корабль есть живое существо, и, видя его гибель, вы неизбежно чувствуете, как уходит в вечность этот одушевленный исполин, послушный воле своего командира. Корабль безропотно переносит все удары неприятеля, он честно исполняет свой долг и с честью гибнет, но не к чести моряков и строителей служат эти потопления, за которые они ответственны перед своей совестью. Корабль может и должен быть обеспечен от потопления».
Монета в честь 300-летия Российского флота с барельефом ледокола «Ермак» и адмирала С. О. Макарова.
Теория непотопляемости корабля стала одной из важнейших его разработок. Степан Осипович настаивал на выделении непотопляемости в отдельную научную дисциплину. К январю – марту 1870 г. относится едва ли не самое известное его открытие – изобретение пластыря (шинкованного мата) для заделки пробоин судов. В морском обиходе появился новый термин «пластырь Макарова». 22-летний мичман разработал не только новые способы заделки пробоин пластырем, который во всем мире носит его имя, но и создал оригинальную водоотливную систему и герметические крышки на палубные люки, заложив тем самым основы непотопляемости корабля (Lieutenant Makaroff’s Patent safety mats for instantly stopping leaks in ships bottoms). Способами заделки пробоин заинтересовались за рубежом, и Макарова командировали для демонстрации его изобретения на Всемирную выставку в Вену (17–21 декабря 1873 г.).