С началом осады Севастополя, командуя фрегатом «Херсонес», Бутаков принимал участие в отражении всех неприятельских штурмов. Орудия его парусного фрегата поддерживали огонь береговой артиллерии во время атак неприятеля. За проявленное мужество он был произведен в капитаны 1-го ранга, пожалован званием флигель-адъютанта, награжден орденом Св. Анны 2-й степени с мечами, орденами Св. Владимира 3-й и 4-й степени и золотым оружием.
После гибели адмирала Корнилова Бутаков был назначен начальником штаба Черноморского флота, что говорит о признании его выдающимся боевым офицером.
После Крымской войны в возрасте 36 лет он был произведен в контр-адмиралы, вошел в свиту императора и стал военным командиром и губернатором города Николаева.
В 1860 г. его снова переводят на Балтийский флот и вскоре посылают в Англию для изучения опыта броненосного судостроения. Вернувшись в Россию, Бутаков активно стал заниматься развитием русского парового флота, так как события последней войны показали, что русский флот сильно отставал от иностранных флотов. Большинство прекрасных боевых морских офицеров не знали особенностей парового флота, а на одном героизме трудно продвинуться вперед. Поэтому создание новой паровой школы для подготовки личного состава стало необходимостью, и Бутаков с первых дней стал уделять много времени этому вопросу. Кроме того, он обратил особое внимание на тактическую подготовку флота. Все это дало современникам право назвать Бутакова «учителем и основателем броненосной школы». Он довел выучку своей эскадры до такой высоты, что к нему на учебу стали присылать моряков представители иностранных держав. Несмотря на мирное время, Бутаков проводил учения на флоте, приближенные к боевой обстановке. Для практики он ввел таранные бои на специально приспособленных для этого судах, устраивал стрельбы по щитам, прикрепленным на буксире, а для новичков проводил обстрел по шлюпкам, чтобы будущие моряки привыкали к разрыву снарядов.
В 1866 г. Бутаков был произведен в звание вице-адмирала и возглавил эскадру броненосных судов на Балтийском море. Он очень много работал над теорией военно-морского дела, а его практические пособия по праву считались «Библией для моряков». В 1869 г. император Александр II, присутствуя на смотре кораблей Балтийского флота, остался весьма доволен и пожаловал Бутакову звание генерал-адмирала. Звание адмирала Бутаков получил в 1878 г., а в 1881 г. стал главным командиром Санкт-Петербургского порта.
