Учился Николай Николаевич весьма прилежно, окончив академию в 1876 г. по первому разряду с малой серебряной медалью. Его имя было нанесено на мраморную доску академии. За отличие в учебе Великий князь был также повышен в чине – досрочно произведен в капитаны, причислен к Генеральному штабу и получил звание флигель-адъютанта, т. е. отнесен к свите Его Императорского Величества.
Вскоре у молодого капитана появилась возможность применить полученные знания на практике: началась Русско-турецкая война 1877–1878 гг. Еще с 1876 г. он состоял в качестве обер-офицера для особых поручений при своем отце – Главнокомандующем действующей армии. С началом же войны на Николая Николаевича было возложено ответственное задание по проведению рекогносцировки берегов Дуная в районе Зимницы с целью выбора места для переправы наших войск. Отлично справившись с поручением, он вскоре принял боевое крещение – в числе первых форсировал Дунай в составе дивизии под командованием знаменитого генерала М. И. Драгомирова,[393] затем участвовал в штурме Систовских высот. Во время переправы через Дунай под перекрестным огнем противника повел одну из колонн за собой, воодушевляя солдат личным примером: «Ребята! – крикнул он солдатам. – Что кланяться, что не кланяться пулям, кому жить – не тронет, кому нет – не простит!» За храбрость, проявленную в боях, молодой капитан 16 июня 1877 г. был награжден высшим военным орденом России – Святого Георгия 4-й степени.[394] В дальнейшем Николай Николаевич в составе Габровского отряда под командованием генерала Н. Н. Святополка-Мирского[395] участвовал в штурме Шипкинского перевала. За отвагу, проявленную в ходе Шипкинских боев, 10 июля 1877 г. он был награжден золотым Георгиевским оружием – шпагой с надписью «За храбрость» – и досрочно произведен в полковники.
После войны Николай Николаевич с 1878 г. служил в Лейб-гвардии Гусарском Его Величества полку, расквартированном в Царском Селе. В нем он провел 12 лет, последовательно занимая должности от командира эскадрона до командира полка. Последняя должность дала Великому князю право получить чин генерал-майора уже в 1885 г., в возрасте 29 лет.
В 1890 г. Николай Николаевич вступил в командование 2-й Гвардейской кавалерийской дивизией, считавшейся одной из лучших в Русской армии, а в 1895 г., уже в звании генерал-лейтенанта, был назначен генералом-инспектором кавалерии. Под его руководством был принят ряд мер по реорганизации кавалерии, усовершенствованию учебного процесса в Офицерской кавалерийской школе. Активная деятельность великого князя на этом ответственном посту была отмечена в 1901 г. присвоением ему высшего чина русской армии генерала от кавалерии.