Мосин окончил академию по первому разряду в июле 1875 года в чине штабс-капитана и 20 августа того же года получил назначение на должность помощника начальника инструментальной мастерской Тульского оружейного завода с зачислением по полевой конной артиллерии. На 20 лет связал Мосин свою жизнь с Тульским оружейным заводом и за эти годы сроднился с ним.
Между Мосиным и другими офицерами, служившими на заводе, не завязались близкие приятельские отношения. Мосин, пролагавший себе дорогу упорным трудом, не разделял кастовых предрассудков царской офицерской среды. Это облегчало ему общение с мастерами и рабочими, помогло привлечь их к осуществлению своих замыслов и планов.
20 ноября 1876 года штабс-капитан Мосин был назначен начальником инструментальной мастерской. Он в совершенстве изучил изготовление инструмента и лекал, а также познакомился с технологическим процессом производства винтовки Бердана. Это имело большое значение для дальнейшей самостоятельной конструкторской деятельности Мосина. Он получил возможность при разработке своей винтовки проявить себя не только замечательным конструктором, но и опытным технологом. Мосин дальновидно предусмотрел все условия будущей организации производства винтовки. На замечательных производственных традициях старейшего русского оружейного завода окончательно созрел выдающийся конструкторский талант Сергея Ивановича Мосина.
Первым опытом самостоятельной работы Мосина была разработка технологии охотничьих ружей, явившаяся некоторой подготовкой к будущей изобретательской деятельности.
К 80-м годам Мосин в чине капитана был уже известен как большой знаток оружейного дела. По распоряжению главного артиллерийского управления в 1881–1882 году он был назначен членом «комиссии для осмотра механических средств и зданий» Сестрорецкого и Ижевского заводов. Это дало Мосину возможность ещё ближе познакомиться с организацией производства на этих заводах и состоянием русского оружейного дела. Имея хорошую теоретическую подготовку и большой производственный опыт, Мосин живо интересовался своей специальностью. Он был в курсе всех вопросов, которые тогда волновали специалистов-оружейников.
В центре внимания военных кругов стоял тогда вопрос о перевооружении русской армии малокалиберной магазинной винтовкой. Мосин, как и некоторые другие русские оружейники, сделал попытку приложить свои знания и силы к разрешению этого вопроса.
III. Начало изобретательской деятельности. Конструирование трёхлинейной винтовки (1875–1891 годы)
Оружейная техника в 60-70-х годах XIX века быстро развивалась.
Войны второй половины XIX века выявили огромную роль нарезного стрелкового оружия, значение мощного огня в бою. Важнейшими задачами в дальнейшем развитии стрелкового оружия стало увеличение скорости и дальности стрельбы, настильности, а также пробивной способности пуль. Это поставило на очередь вопрос о совершенствовании патрона (патрон с металлической гильзой) и конструировании магазинных винтовок, т. е. винтовок, снабжённых приспособлениями, в которых было собрано несколько патронов, в целях ускорения перезаряжания оружия. Во всех армиях началась усиленная исследовательская работа в этой области. Правда, первые образцы магазинных винтовок были далеки от совершенства, но перевооружение армии оружием этого нового образца стало неотложной задачей всех европейских стран.
Экономическая и техническая отсталость царской России создавала особые трудности для проведения перевооружения армии. Слабое развитие промышленности, отсутствие внимания к работе русских конструкторов обрекали царскую Россию в этом деле на зависимость от заграницы. Новое оружие для русской армии разрабатывалось в первую очередь иностранными фирмами. Они получали выгодные заказы для иностранных заводов и наживались за счет русской казны. В 60–70 годах XIX века в России были приняты на вооружение армии почти одна за другой винтовки Терри-Нормана, Карле, Крнка, Бердана.
Вопрос о вооружении русской армии магазинными ружьями был поставлен в 1883 году. Была создана особая «Комиссия для испытания магазинных ружей». Работы комиссии вызвали значительный интерес в военных кругах, особенно среди передовой части русского офицерства.