В зимнюю стоянку 1901 года он преподаёт в Морском корпусе теоретическую механику и девиацию. Следующую кампанию Эссен встречает старшим офицером, а затем командиром крейсера 2-го ранга «Новик», спущенного на воду в Германии. Крейсер совершил переход на Тихий океан и вошёл в состав Порт-Артурской эскадры.
Уже в первый день войны 27 января крейсер «Новик», посланный в разведку, сблизился с японцами на 17—19 кабельтовых. Эссен решил атаковать японский крейсер «Якумо» торпедами.
— Торпедная атака! — донёсся с мостика твёрдый голос командира. — Аппараты товсь!
Когда «Новик» лёг на боевой курс, торпеды выстрелили, и одна из них прошла под самой кормой «Якумо». В это время японцы открыли шквальный огонь по «Новику», один из 8-дюймовых снарядов разорвался на палубе. Но цель атаки была достигнута. Адмирал Того повернул эскадру на курс отхода. Эссен первым из командиров, на «самом слабом корабле, показал, что дух врага в личном составе ещё не убит и что врагу не так-то просто воспользоваться своим первым успехом». За беспримерную лихую атаку превосходящего в силе противника Николай Оттович был награждён Золотой саблей с надписью: «За храбрость».
Но инициативу моряков сдерживала формула наместника адмирала Алексеева — «Беречь и не рисковать». Положение резко изменилось с приездом 24 февраля вице-адмирала С. Макарова.
Уже через два дня «Новик» вступил в стычку с неприятелем. Утром 27 февраля миноносцы «Стерегущий» и «Решительный», возвращаясь из разведки, подверглись нападению четырёх неприятельских миноносцев. «Решительный» на скорости прорвался в Порт-Артур, а «Стерегущий», потеряв ход, сражался до конца и был затоплен оставшимися в живых моряками, чтобы не быть пленённым.
Едва узнав о бое «Стерегущего», Макаров появился на «Новике»: ему импонировал решительный и грамотный командир быстроходного крейсера.
— Готовы выйти в море? — первый вопрос адмирала командиру.
— Немедля, — коротко ответил Эссен.
— Снимайтесь с якоря, идём к «Стерегущему», — приказал Макаров.
Спустя мгновения, горнист играл «Тревогу», «Новик» снялся с якоря.
«Как только сигнальная станция Золотой горы донесла, что в море идёт бой между нашими и японскими миноносцами, для прикрытия их вышли из гавани «Аскольд» и «Новик». «Новик» — впереди, — вспоминал В. Семёнов. — Неужели адмирал сам отправился в эту «авантюру?» — вопрос живо всех интересовавший и вполне естественный.
Офицеры, собравшиеся на мостике, усиленно протирали стёкла биноклей, напрягали зрение... На «Аскольде» не было флага командующего...
— Ну понятно, нельзя же так рисковать... На лёгком крейсере... Мало ли что... — говорили некоторые...
— На «Новике»! Флаг на «Новике»! — вдруг, словно захлёбываясь от азарта, закричал сигнальщик.
Всё кругом разом всколыхнулись. Команда, бросив завтрак, кинулась к бортам. Офицеры вырывали друг у друга бинокли из рук... Сомнения не было! На мачте «Новика», этого игрушечного крейсера, смело мчавшегося на выручку одинокому миноносцу, развевался флаг командующего флотом!..
— Не утерпел, не дождался «Аскольда» — пересел на «Новик»!.. Чёрт возьми! Это уже чересчур!..
Но это было не «чересчур», а именно то, что требовалось, это были похороны старого лозунга «Не рисковать» и замена его чем-то новым.
Схватка миноносцев происходила милях в десяти к югу от Порт-Артура. «Новик» и «Аскольд» как ни спешили, не могли подойти вовремя. «Стерегущий» уже был затоплен, а бросившись преследовать японские миноносцы, они встретились со всей неприятельской эскадрой, шедшей к Порт-Артуру. Пришлось уходить. По счастью, скорость обоих этих крейсеров не только числилась в справочной книжке, но существовала и в действительности. Ни броненосцы, ни броненосные крейсера японцев не могли за ними угнаться, и лишь четыре «собачки» пытались некоторое время, более или менее успешно, преследовать наступающих...
«Новик» и «Аскольд» возвратились благополучно.
Но какое это было возвращение! Десятки тысяч людей, усеявших борта судов, высыпавших на брустверы батарей, толпившихся на набережных, жадно следили за каждым движением маленького крейсера, который, бойко разворачиваясь в узкостях, входил в гавань...
Это было больше, чем какая-нибудь победа, случайная удача в бою, — это было завоевание. Отныне адмирал мог смело говорить: «Моя эскадра!» Отныне все эти люди принадлежали ему душой и телом.
Ещё не раз с эскадрой выходил в море «Новик», показывая выучку экипажа, готовность к бою. В середине марта, во время одного из выходов эскадры, из-за неумелого маневрирования столкнулись два эскадренных броненосца «Севастополь» и «Пересвет». Макаров решил заменить командира «Севастополя», пригласил к себе Эссена.
— Принимайте «Севастополь», — кратко приказал он.
Эссен опешил. Хотя броненосец — это повышение, но он тихоходен.
— Ваше превосходительство, «Новик» — мой родной крейсер, лихое судно и экипаж сплавался...
Макаров, поглаживая бороду, усмехнулся:
— Вот-вот, для службы на «Севастополе» вы будете нужны. Вашу хватку я вижу.
Вступив в командование, Эссен через неделю-другую увидел плоды своих усилий. Экипаж броненосца с душой принял нового командира. К сожалению, 31 марта, в день гибели Макарова, «Севастополь» и другие броненосцы из-за сильного прижимного ветра долго не смогли отойти от стенки, и Макаров приказал броненосцу оставаться в бухте. Непродолжительное общение с вице-адмиралом С. Макаровым наложило отпечаток на всю дальнейшую службу Н. Эссена, воспринявшего методы ведения боевых действий своего флагмана.
Новый командующий эскадрой, контр-адмирал В. Витгефт, вначале поднял свой флаг на «Севастополе». Вскоре Эссен настаивает на активных действиях, вплоть до прорыва эскадры во Владивосток, но осторожный флагман противится и в конце концов из-за разногласий с флаг-капитаном переносит свой флаг на «Цесаревича».
И всё-таки от наместника поступает указание прорываться во Владивосток. Во время этой безуспешной попытки 10 июня, при возвращении, «Севастополь» подорвался на вражеской мине и получил большую пробоину в носовой части. Спустя полтора месяца броненосец под командой уже капитана 1-го ранга Эссена снова вышел в море. 28 июля Витгефт вторично повёл эскадру для прорыва во Владивосток. При выходе эскадры флагман поднял сигнал: «Приготовиться к бою. Государь император повелел идти во Владивосток». Бой с превосходящим противником продолжался до темноты, окончился потерей нескольких кораблей, гибелью Витгефта, прорывом части эскадры в нейтральные порты Китая.
«Севастополю» досталось, он шёл почти концевым в строю. Из-за повреждений ход упал до 8 узлов, и броненосец вернулся в Порт-Артур. После ремонта «Севастополь» 10 августа снова подорвался на мине и вышел из строя на два месяца. Теперь японцы обстреливали броненосец с окружающих высот. Часть команды и орудий свезли на берег для усиления обороны Порт-Артура. В конце ноября Эссен добился разрешения у нового флагмана, контр-адмирала Р. Вирена, вывести «Севастополь» на внешний рейд, в бухту Белый Волк. Организовав надёжную противоминную оборону, броненосец своим огнём отбивал атаки неприятеля на Порт-Артур. Японские миноносцы в течение декабря произвели шесть безуспешных ночных атак, выпустив 180 торпед. Но всё же из-за близких разрывов в обшивке появилась течь, и броненосец принял 2500 тонн воды.
По броненосцу вели огонь и японские крейсера, и один из снарядов практически вывел «Севастополь» из строя, и он превратился в плавучую батарею. Н. Эссена назначили начальником Ляоташанского отдела обороны с подчинением ему сухопутных частей и береговой обороны. Между тем дело шло к капитуляции. От Вирена в ночь на 20 декабря поступило распоряжение выполнить секретный приказ об уничтожении всех кораблей эскадры. По условиям капитуляции надлежало все корабли без взрывов затопить в бухте. Эссен, единственный из всех командиров, сумел отбуксировать «Севастополь» для затопления на глубокое место, что не позволило занявшим Порт-Артур японцам использовать его в своих целях.
