С началом Русско-турецкой войны 1877–1878 годов великий князь был определен офицером для особых поручений при отце – главнокомандующем Дунайской армией. На него было возложено ответственное задание по проведению рекогносцировки берегов Дуная в районе Зимницы с целью выбора места для переправы войск. Молодой офицер хорошо справился с задачей, а затем в числе первых переправился через Дунай с дивизией, командовал которой генерал М. И. Драгомиров. Он участвовал в штурме Систовских высот. За храбрость, проявленную в боях, Николай Николаевич был награжден орденом Св. Георгия 4-й степени. В последующем великий князь в составе Габровского отряда под руководством генерала Н. Н. Святополка-Мирского участвовал в штурме и захвате Шипкинского перевала, за что был награжден Золотым оружием с надписью «За храбрость» и произведен в полковники. На этом боевая практика будущего Верховного главнокомандующего Вооруженными силами России закончилась.
Николай Николаевич с офицерами штаба Кавказской армии. Рядом генерал Н. Н. Юденич. 1916 г.
Великий князь Николай Николаевич решил не только парировать готовившийся удар противника, но и создать условия для перехода русских войск в контрнаступление. Он приказал перегруппировать в район Средней Вислы главные силы Юго-Западного и часть сил Северо-Западного фронтов.
В директиве, которую получили войска, начальник штаба Ставки генерал Н. Н. Янушкевич указывал общие сведения о противнике, рубежи начала наступления армий, направление наступления и кому на что следует обратить особое внимание во время операции. Все остальное отдавалось на откуп командующим фронтами.
Своевременное и точное выполнение этой директивы могло обеспечить поражение противника. Но воли Верховного главнокомандующего в достижении намеченной цели проявлено не было. Командующие фронтами, получив ранее право выражать и отстаивать свое мнение, по-разному отнеслись к этому решению. Генерал Рузский, ссылаясь на недостаток времени для восстановления боеспособности своих армий, постарался убедить Верховного главнокомандующего в нецелесообразности привлечения войск Северо-Западного фронта к участию в операции. Командующий же Юго-Западным фронтом выразил свое полное согласие с планами Ставки, но считал, что для их реализации необходимо предварительно отвести войска на восточный берег рек Сан и Вислы.