В августе 1886 г. «Витязь» пересек Атлантический океан, зашел в Рио-де-Жанейро, затем, обойдя Америку Магеллановым проливом, поднялся в апреле 1887 г. к Иокогаме, зайдя по пути на острова Маркизские и Сандвичевы; более 2/3 плавание совершено было под парусами. В Тихом океане «Витязь» оставался до конца 1888 г., когда отправился обратно, и через Суэц прибыл 19 мая 1889 г. в Кронштадт. За 3-летнее плавание сделано было под парусами 25 856, под парами – 33 412, всего же 59 268 миль. Во время плавания, начиная с самого выхода из Кронштадта, Макаров решил произвести, подобно наблюдениям в Босфоре, исследования проходимых вод. «С первых же дней, – говорит сам Макаров, – стало очевидным, с какою охотой офицеры взялись за дело. В начале остановки для наблюдений на глубинах были редки, а потом, когда корвет был приведен в должный вид в военном отношении, работы участились, в особенности в наших Японском и Охотском морях, где так мало произведено еще исследований». Так молодой командир «Витязя» не забывал занесенного им еще кадетом в дневник положения, что степень усердия личного состава зависит от «осмысленности жизни». Незаурядное плавание «Витязя» обессмертило имя как командира, так и самого корабля: сделаны были 194 станции с гидрологическими наблюдениями, по окончании плавания добытые данные были систематизированы и напечатаны в 1894 г. под названием «„Витязь“ и Тихий океан». Труд этот был удостоен Академией наук Макарьевской премией и Константиновской медалью Географического общества.
Во время пребывания «Витязя» на востоке на долю Макарова, за болезнью начальника эскадры, выпало временное управление ею, и немедленно строй жизни ее оживился: эскадра производила маневрирования, как бы в военное время; под председательством Макарова комиссия командиров разрабатывала планы военных действий крейсеров на случай разрыва с той или иной державой; при этом Макаров не ограничился рассмотрением только самих планов, но обращал внимание высшего морского начальства и на то, что Владивосток, единственная база русского флота на Дальнем Востоке, не отвечал своей цели. Не остановился Макаров и перед тем, чтобы обратить внимание министерства на то, что у него не было органа, разрабатывающего предварительные планы войны: «Комиссия осмеливается думать, – говорилось в одном из ее протоколов, – что если бы во главе морского штаба был учрежден отдел, не связанный текущими, делами и специально ведущий военно-стратегическую часть, то организация войны много бы выиграла». Все эти, высказанные за 16 лет до японской войны, горькие истины остались таковыми, и печальные 1904–05 гг. ясно показали всю справедливость слов Степана Осиповича.
1 января 1890 г. Макаров был произведен в контр-адмиралы, имея 41 год от роду, и назначен младшим флагманом