На третьем году обучения поручик Сухомлинов блестяще защитил три военно-исторических исследования. Одно из них было посвящено неудачному вторжением англичан в Эфиопию (1867–1868 гг.), другое – сравнению продовольственного снабжения в русской, германской, австрийской и французской армиях. Третье исследование носило стратегический характер. В нём молодой офицер развивал идею Обручева о вторжении русской кавалерии в Германию после начала предполагаемой войны с ней с целью разрушить немецкие железные дороги и, тем самым сорвать быструю мобилизацию армии противника.
На защите этого доклада присутствовал командующий войсками гвардии и Петербургского военного округа великий князь Николай Николаевич. В историю он вошёл как Николай Николаевич «старший», в отличие от своего сына, великого князя Николая Николаевича «младшего». Перед началом доклада Николай Николаевич (старший) подошёл к взволнованному поручику как к старому знакомому и ободрил его несколькими ласковыми словами. Защита прошла прекрасно, и великий князь остался доволен [172, с. 16–18].
После выпуска молодой офицер стал подчиненным великого князя: он был назначен старшим адъютантом штаба 1-й гвардейской кавалерийской дивизии и нёс службу в Петербурге [17, с. 18–19]. Его первым важным поручением было в ходе лагерного сбора в Красном Селе сопровождать великого князя Николая Николаевича (старшего) и записывать все его устные замечания. В форме бюллетеня все это печаталось и рассылалось в войсковые части. В результате составился целый сборник руководящих указаний командующего округом [172, с. 20].
Великий князь был чрезвычайно доволен своим новым сотрудником и не уставал нахваливать его в беседах со знакомыми. Молодой рыжеволосый офицер с добродушным лицом не только прекрасно владел пером, но был ещё и прекрасным рассказчиком и к тому же отменным карикатуристом. Однажды он нарисовал смешной шарж на популярного теоретика военного дела генерала М. И. Драгомирова, который делал доклад во дворце великого князя Николая Николаевича. Рисунок показали генералу, но тот не обиделся, а лишь посмеялся и пожелал познакомиться с автором. Так завязалась дружба Сухомлинова с Драгомировым [172, с. 21].
В 1877 г. началась Русско-турецкая война. Великий князь Николай Николаевич был назначен главнокомандующим русской армией на Балканском фронте. Сначала Сухомлинов находился при нём. Когда русские войска, форсировав Дунай, заняли древнюю столицу Болгарии – Тырново – великий князь Николай Николаевич дал задание своему молодому помощнику наладить гражданское управление в городе, что тот с успехом и сделал.
Поручения главнокомандующего выполнял и его сын – Николай Николаевич (младший). Подобно деду, царю Николаю I, он отличался громадным ростом и на коне смотрелся