Отчет Артамонова о проделанной работе был высоко оценен. Он награждается орденом Св. Владимира 4-й степени и получает звание подполковника. Его представляют императору Александру II. В 1870 г. Николай Дмитриевич уже штаб-офицер, преподает обучающимся офицерам в Николаевской академии Генерального штаба. Одновременно он назначается редактором 10-верстной карты Европейской Турции.
В 1876 году, накануне русско-турецкой войны 1877–1878 гг., по приглашению великого князя Николая Николаевича Артамонов прочел ряд публичных лекций, посвященных обзору турецкого театра военных действий. В том же году он подготовил особую записку о способах ведения военных действий на Балканском полуострове. В конце 1876 г. началось формирование Действующей армии. Подполковник Николай Дмитриевич Артамонов был направлен в армию на должность штаб-офицера над вожатыми Полевого штаба действующей армии. Эта должность была учреждена в армии в ходе военной реформы Д. А. Милютина. Еще весной 1868 г. Александр II утвердил разработанный Военным министерством проект «Положения о полевом управлении войск в мирное и военное время». Согласно этому Положению, Полевое управление действующей армии состояло из Полевого штаба и ряда других структур. Ответственность за организацию разведывательной деятельности возлагалась на начальника Полевого штаба. Существовавшие ранее должности генерал-квартирмейстера и дежурного генерала армии упразднялись, и взамен была введена должность помощника начальника Полевого штаба, который отвечал за оперативную деятельность. Он должен был осуществлять общее руководство службой Генерального штаба в военных условиях. Непосредственная же ответственность за сбор сведений о противнике на театре войны возлагалась на штаб-офицера над вожатыми, подчинявшегося начальнику Полевого штаба. В Положении отмечалось, что штаб-офицер над вожатыми «..заведует собиранием сведений о силах, расположении, передвижении и намерениях неприятеля». К его обязанностям относились «опрос пленных и лазутчиков и составление их показаний из общих сводов». Штаб-офицер над вожатыми должен был проверять сведения, полученные от лазутчиков и пленных, «следя за сведениями о неприятеле, сообщаемыми периодическими изданиями», а также собирать эти сведения «всеми возможными путями».
В 1877 г. началась русско-турецкая война. На Артамонова возлагалась обязанность собирать сведения о противнике и доставлять в армию надежных проводников и переводчиков. Вскоре ему пришлось параллельно возглавить Военно-топографическое отделение действующей армии.
Послужной список Артамонова и другие документы свидетельствуют, что в годы войны он состоял в свите его императорского высочества главнокомандующего при Никополе и под Плевной, находился в штабе в селе Царевка, с эшелоном Главной квартиры перешел Балканы у Шипки. Николай Дмитриевич командировался в Петербург «для предоставления на Высочайший осмотр всех съемок и других работ, произведенных чинами Полевого Военно-топографического отдела во время войны».
Несколько раз Артамонов лично предпринимал вылазки в тыл турецких войск «для развития разведывательной части». Во время затянувшейся осады Плевны Артамонов в ноябре 1877 г. в числе других офицеров участвовал в переговорах с начальником обороны крепости Осман-пашей.
Участие Николая Дмитриевича в переговорах было не случайно. С началом войны Артамонов активно использовал для получения оперативных сведений о неприятеле агентов-ходоков. Одним из самых способных агентов был Константин Николаевич Фаврикодоров, грек по происхождению. 26 июня 1877 г. Артамонов направил Фаврикодорова под именем турецкого подданного Хасана Демерши-оглы из города Систова в глубокий разведывательный рейд по тылам противника. Фаврикодоров отлично справился с поставленной перед ним задачей. Он побывал в Плевне, крепости Шумле, Варне, Андрианополе, Филиппополе, собрал большое количество ценных сведений о турецкой армии и, вернувшись на Главную квартиру русской армии, передал их Артамонову.