С помощью константинопольских христиан Игнатьеву удалось создать широкую агентурную сеть, благодаря которой он был осведомлен о положении в Османской империи. Среди агентов посла были и турецкие чиновники.
Игнатьев считал, что надежды правительства на урегулирование Восточного вопроса с помощью Союза трех императоров безосновательны, поскольку интересы Австро-Венгрии на Балканах противоположны интересам России. По мнению Игнатьева, умиротворение Боснии и Герцеговины можно было осуществить путем прямых русско-турецких переговоров без вмешательства других держав.
Несмотря на разногласия с правительственной линией в балканской политике, которые касались не стратегических, а тактических вопросов, Игнатьев проработал в Стамбуле почти 13 лет — до начала Русско-турецкой войны. Он участвовал в переговорах, связанных с созданием Румынии, в урегулировании критского вопроса и многих других, касавшихся национально-освободительного движения на Балканах. За действиями российского посла внимательно следили европейские политики. Француз Л. Гамбетта говорил: «Игнатьев представляется человеком будущего в России. Я его считаю самым проницательным и самым активным политиком нашего времени».
Летом 1875 года в провинции Османской империи Боснии и Герцоговине вспыхнуло народное восстание. Затем оно перекинулось в Болгарию. В декабре 1876 года представители держав собрались в Стамбуле на конференцию по Восточному вопросу. Россию представлял Игнатьев, избранный старшиной делегатов. По его указанию русским дипломатом А.Н. Церетелевым и секретарем американской миссии Ю. Скайлером был разработан «проект-максимум», предусматривающий административй автономию Болгарии с христианским губернатором. На случай возражения со стороны Англии Игнатьев разработал «проект-минимум», по которому Болгария делилась на две автономные провинции — западную и восточную.
В ходе предварительного совещания выяснилось, что англичане и австрийцы решительные противники единой Болгарии. Игнатьев, сделав некоторые уступки, добился принятия «проекта-минимум». При этом умело использовал разногласия между английскими представителями — послом Г. Эллиотом и министром иностранных дел маркизом Солсбери, которого ему удалось привлечь на свою сторону. Границы предполагаем Болгарии, хотя и разделенной, включали в себя территорию, на которой проживало большинство болгарского народа.
Однако не успела еще конференция завершить свою работу, как Турция обнародовала конституцию, содержавшую декларацию о политических свободах. Таким образом, работа конференции фактически лишалась смысла и представители держав покинули турецкую столицу.
12 апреля 1877 года Россия объявила войну Турции. Игнатьев считал, что этот шаг следовало сделать еще летом 1876 года, когда Турция не была к ней готова и ее армия воевала с Сербией и Черногорией. «Вместо этого мы теряли время, а потом начали мобилизацию. Сказали „иду на вас“ сами ни с места. Турки стали готовиться, закупать оружие в Англии, Америке (я достал и представил все контракты), на наших глазах подвозили арабов, египтян, а мы все ждали», — с горечью говорил он впоследствии.
Во время войны Игнатьев был прикомандирован к свите царя и находился в Румынии, а затем в Болгарии. Он принимал участие в обсуждении разнообразных дипломатических вопросов в Главной квартире (ставке).
После падения Плевны в конце ноября 1877 года военно-политическая обстановка изменилась в пользу России. Разработка условий мира с Турцей была поручена Милютину и Игнатьеву. В проектах мирного договора, составленных в начале декабря, Игнатьев пошел значительно дальше решений Константинопольской конференции. Помимо создания независимых княжеств Румынии, Сербии и Черногории и значительных территориальных приращений к ним предусматривалось создание Большой Болгарии с выходом к Черному и Эгейскому морям.
5 января 1878 года проект договора, представленный Игнатьевым, обсуждался на совещании у царя и получил одобрение.
Предварительные переговоры о мире начались в Адрианопосе 31 января. На них встретились министр иностранных дел Турции Севфет-паша и русские уполномоченные — Н.П. Игнатьев и А.И. Нелидов. Переговоры продолжались ежедневно по нескольку часов. Игнатьев через своих старых сотрудников и агентов выяснил, что в военном отношении турецкая армия была уже бессильной, а в султанской столице царил разброд. Савфет-паша всячески стремился затянуть переговоры, по любому вопросу требовал времени для консультаций с Портой. Особенно ожесточенные споры вызвали вопросы о границах Болгарии, Сербии и Черногории.