В конце 1859 года Бутакова награждают орденом Святого Владимира III степени и переводят на Балтику начальником практической эскадры винтовых кораблей. С первых шагов на новом месте Бутаков получает от подчинённых прозвище «беспокойный адмирал». Главная задача — готовить подчинённых к грамотной эксплуатации паровых кораблей, а их командиров обучать новой методике маневрирования и использования оружия. За одну кампанию эскадра стала образцом на Балтике. Осенью Бутакова награждают орденом Святого Станислава I степени и командируют к недавним противникам — в Англию и Францию для ознакомления с их флотами.
Проявляя интерес к многим новинкам, Бутаков убедился, что в этих флотах до сих пор нет чётких правил и приёмов использования военных пароходов. Докладывая о результатах командировки, он откровенно сообщает: «Не желая уступить кому-либо за границей первенство изобретения этой теории, я очень мало ознакомил с нею иностранных адмиралов».
Следующие две кампании 1861–1862 гг. Бутаков командует флотилией винтовых канонерских лодок и доводит до совершенства её подготовку.
В 1863 году Бутаков в должности военно-морского атташе командируется в Англию и Францию. В этом же году увидело свет фундаментальное исследование Бутакова «Новые основания пароходной тактики»[35]. Этот труд был высоко оценён современниками в России и за рубежом, а Академия наук присудила за него Бутакову Демидовскую премию.
Последующие десять кампаний Бутаков успешно командовал броненосной эскадрой на Балтике, внедряя на флоте всё новое, поощряя инициативу подчинённых. Как-то к нему явился мичман Степан Макаров с броненосной лодки «Русалка» и предложил оригинальный пластырь для заделки пробоин судна, а также систему откачки забортной воды из повреждённых отсеков пароходов. Бутаков сразу же высоко оценил эти новшества и доложил о них Морскому учёному комитету. «Пластырь Макарова» и его система водоотлива применяются на флоте до сих пор.
В 1866 году Бутакову присваивают чин вице-адмирала, а в Кронштадте, по представлению Бутакова, открывается «временная школа морских минёров».
Бутаков явился зачинателем внедрения минного оружия на флоте. Под его руководством на броненосной эскадре делал первые шаги лейтенант С. Макаров, будущий флотоводец.
Весной 1878 года Бутаков был произведён в адмиралы и в связи с обострением обстановки с Англией назначен начальником береговой и морской обороны Свеаборга. За короткий срок крайне запущенное состояние обороны крепости не было устранено. Особое внимание Бутаков уделил подготовке приданной ему эскадры и применению минного оружия как в целях обороны, так и для атаки.