В 1870 году указом правительствующего Синода иеромонах Николай был возведен в сан архимандрита. Казалось бы, подобное начало должно было открыть путь к более массовому интересу к православию, но ведь проповедь была тайной и на самом деле очень опасной: лишь в 1873 году в Японии были отменены старые антихристианские указы. К этому моменту обращенных насчитывалось около 30 человек, а Духовная миссия, по причине возросшего количества русских представительств в Японии, была перенесена в ее столицу.
После того как проповедь о Христе стала дозволенной, число христиан-японцев начало увеличиваться. В 1875 году рукоположили первого священника-японца, а к 1878 году их насчитывалось уже шесть.
В 1880 году в Петербурге, в Троицком соборе Александро-Невской Лавры, архимандрит Николай был возведен в сан епископа.
Труды святителя можно разделить на три направления. Во-первых, пастырское окормление. Святитель почти ежедневно объезжал ту или иную часть своей епархии, проверял нравственное состояние приходов, служил, проповедовал. Во-вторых, религиозное образование: в начале 1880-х годов в Токио было четыре церковных училища, в числе которых одно женское. В Миссии издавался ряд журналов. В-третьих, всю свою жизнь владыка ежедневно трудился над переводом на японский язык Священного Писания и богослужебных книг. Много внимания он уделял знакомству японцев с классической русской и европейской культурой.
Во время Русско-японской войны 1904–1905 годов святитель, рискуя своей жизнью, остался со своей паствой, хотя имел много возможностей вернуться в Россию. В это военное время епископа Николая сопровождали не только многие скорби, но и постоянная опасность для жизни. Его травили с двух сторон: японцы видели в нем русского политического агента, шпиона, агитатора, сеющего на японской почве измену и симпатии к вероломной, хищнической России; русские же подозревали его в информаторской деятельности, в сообщении Японии о России того, чего ей знать не следовало. Все труды епископа объявлялись не только бесполезными, но и вредными. Святителя Николая помогли сохранить для его миссии два руководившие им всю жизнь принципа: первый — идея апостольского служения, подвига распространения православия среди язычников; второй — горячее убеждение в том, что его работа должна стоять вне всякой связи с политикой.
Редкий такт и мудрость, проявленные святителем Николаем в годы войны, еще более повысили его статус в глазах японского общества, когда война закончилась. Эта значимость святого способствовала быстрому преодолению психологических последствий войны и расчистила путь к русско-японскому сближению.