Академии (по первому разряду), «за отличные успехи в науках» был произведен в штабс-капитаны. Высочайшим приказом от 27 июня 1877 г. Н.Д. Кузьмин-Караваев был «назначен старшим адъютантом штаба 13-й пехотной дивизии (штаб в Севастополе) с переводом в ГШ капитаном». Во время русско-турецкой войны 1877–1878 гг. эта дивизия находилась на охране черноморского побережья и, формально входя в состав Действующей армии, фактически в боевых действиях участия не принимала, обеспечивая с другими частями прикрытие тыла и маршевые пополнения для войск на Балканах. С октября 1878 по апрель 1879 г. Н.Д. Кузьмин-Караваев сначала был «назначен временно заведывающим передвижением войск, следующих из действовавшей армии нижних чинов, уволенных в запас, и новобранцев, отправляемых на укомплектование войск Кавказского военного округа, а также отправлением обратно в Турцию пленных турок», а затем «Высочайшим приказом назначен Заведывающим передвижением войск по Курско-Киевской, Киево-Брестской и Саратовской железным дорогам, с зачислением по ГШ».
Согласно телеграммы Начальника Главного штаба от 6 апреля 1879 г., 9 апреля Н.Д. Кузьмин-Караваев был командирован в Санкт-Петербург, в Главный штаб. Здесь в июне высочайшим приказом был назначен в распоряжение его императорского высочества Главнокомандующего Кавказской армией, с оставлением в ГШ. Чем конкретно занимался Н.Д. Кузьмин-Караваев, выяснить не удалось. Но в апреле 1880 г. последовало производство в подполковники ГШ, а 13 октября он был командирован в состав войск, действующих в Закаспийском крае, с назначением в распоряжение генерал-адъютанта Михаила Дмитриевича Скобелева. Экспедиционный отряд под руководством последнего был сформирован весной 1880 г. для покорения туркменского оазиса Ахалтеке[610]. Формально Н.Д. Кузьмин-Караваев находился в отряде с 13 октября 1880 г. до 28 марта 1881 г. За это время он занимался преимущественно штабной работой и поучаствовал лишь в занятии города Лютфабада 15 февраля 1881 г., а 19–20 февраля совершил рекогносцировку путей к селению Кахка. 28 февраля 1881 г. высочайшим приказом назначен для особых поручений к его императорскому высочеству Главнокомандующему Кавказской армией, а 17 марта – начальником Лютфабадского (Люфти-абадского) отряда[611]. С 28 марта до 15 июля Н. Д. Кузьмин-Караваев был временно исполняющим должность начальника штаба войск Закаспийского военного отдела (затем – края).
В это же время состоялись и две его первые командировки в Персию, касавшиеся вопросов разграничения и телеграфа[612]. В 1881 г. русскими войсками под командованием М.Д. Скобелева был завоеван туркменский оазис Ахалтеке. В связи с этим начались переговоры о разграничении России с Персией[613], окончившиеся подписанием русско-иранской пограничной конвенции 9 декабря 1881 г. На ее основании были начаты работы по демаркации границы. С 17 апреля 1883 г. Н. Д. Кузьмин-Караваев был произведен в полковники ГШ, а 28 мая 1883 г. «с высочайшего разрешения назначен в распоряжение Начальника Главного Штаба, с сохранением содержания» и на основании 2-й статьи конвенции