По броненосцу вели огонь и японские крейсера, и один из снарядов практически вывел «Севастополь» из строя, и он превратился в плавучую батарею. Н. Эссена назначили начальником Ляоташанского отдела обороны с подчинением ему сухопутных частей и береговой обороны. Между тем дело шло к капитуляции. От Вирена в ночь на 20 декабря поступило распоряжение выполнить секретный приказ об уничтожении всех кораблей эскадры. По условиям капитуляции надлежало все корабли без взрывов затопить в бухте. Эссен, единственный из всех командиров, сумел отбуксировать «Севастополь» для затопления на глубокое место, что не позволило занявшим Порт-Артур японцам использовать его в своих целях.
Капитан 1-го ранга Н. Эссен последним покинул борт погружавшегося в воду «Севастополя». После плена в марте 1905 года Эссен вместе с другими офицерами возвращается на родину. За боевые заслуги Эссен был награждён орденом Святого Георгия IV степени и золотым оружием с надписью «За храбрость». Он занимает должность заведующего стратегической частью военно-морского учёного отдела Главного морского штаба, командира 20-го флотского экипажа, с марта 1906 года — командир строящегося в Англии броненосного крейсера «Рюрик».
Но вскоре Эссена отозвали, произвели в контр-адмиралы, и он возглавил отряд минных крейсеров, построенных на добровольные пожертвования для Балтийского флота. По сути, на Балтике в то время не было действенного флота. В разгромленных Тихоокеанских эскадрах, отправленных с Балтики, ушли на дно лучшие корабли Балтийского флота. Именно Н. Эссену выпало заняться восстановлением боеспособного флота. Манёвры 1908 года выявили низкую боеспособность устаревших кораблей флота. Кроме того, все отряды на Балтике были разобщены, и в конце кампании Н. Эссен назначается начальником Соединённых отрядов, ядра будущего флота. Начинается строительство линейных кораблей, основы ударной силы. Но Эссен не забывает уроков Порт-Артура и обращает особое внимание на подготовку минных заградителей для борьбы с минами специальных сил траления. Вскоре Н. Эссен был произведён в вице-адмиралы.
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.