Николая Константиновича в течение 1875–1877 годов перевозят с места на место (село Смоленское Владимирской губернии, город Усмань Киевской губернии, имение Тавров Подольской губернии), надеясь окончательно избавиться от Демидовой. Но возлюбленные каждый раз вновь находят друг друга, и тайные встречи не прекращаются. Наконец Демидовой то ли дали хорошего отступного, то ли припугнули, а вернее, и то и другое вместе, и она, уж родившая двух детей от великого князя вдобавок к пяти от бывшего мужа, оборвала любовную связь и спустя два года вышла замуж за графа П. Ф. Сумарокова-Эльстена.

Удрученного Николая Константиновича 26 мая 1877 года переправили в очередную ссылку — в Оренбург, объяснив ее необходимостью лечения кумысом. Поначалу жизнь на новом месте складывалась спокойно. Великого князя поместили в лучших комнатах городской гостиницы, и он опять увлекся научными изысканиями, остыв, кажется, от пылкой любви. В его характере и раньше замечалось подобное: неистовство, упрямство, граничащее с безумием, стремление преодолеть любые преграды ради поставленной цели — и вдруг полная апатия, полунасмешливое воспоминание о своем чувствительном прошлом. Любовь вспыхивала ярким пламенем, но и сгорала дотла.

Вскоре Николай Константинович переселился за шесть верст от города, где новый главный надсмотрщик граф Ростовцев нашел подходящее для изоляции от оренбургского общества место — дачу Матвеева на берегу реки Сакмары. Общаться здесь было не с кем, и великий князь волей-неволей погрузился в ученые занятия по улучшению степного коневодства и приисканию лучшего пути для прокладки железной дороги в Ташкент. Дважды в течение 1877 года он побывал в экспедициях в песках Каракумов (с 19 июня по 29 июля и с 14 сентября по 11 октября). Итогом его исследований стали книги «О выборе кратчайшего направления среднеазиатской железной дороги» и «Пески Кара-Кум по отношению к среднеазиатской железной дороге». Обе получили одобрение императорского Русского географического общества за полную картину топографии и флоры местности, о которой до сих пор существовали смутные и не совсем верные представления.

Академик Г. П. Гальперин писал великому князю: «Пески Кара-Кум, считавшиеся непроходимыми для слезных дорог, благодаря полезному труду Вашего Императорского Высочества, оказываются проходимыми и безопасными».

Николай Константинович, в отличие от предшественников, доказывал возможность провести железную дорогу по прямой от Оренбурга до Ташкента, не огибая пески. В защиту своего проекта он привел множество доводов, основанных как на изучении старинных караванных путей, так и на наблюдениях за жизнью пустыни.

Лишь отец обрадовался увлечению старшего сына наукой и инженерным искусством. Остальные родственники остались равнодушны к столь плебейскому занятию высокородной особы. В Петербурге полагали, что оскорбительно тому, в ком течет августейшая романовская кровь, уподобляться простому инженеру-путейцу, зарабатывающего трудом кусок хлеба.

Равнодушие и снисходительность к Николаю Константиновичу быстро сменились гневом, когда 16 мая 1878 года Министерство двора и уделов получило шифрованную телеграмму, что высокий больной тайно женился на дочери провинциального казачьего офицера. Александр II, несмотря на то что его собственная любовная связь с женщиной низкого происхождения была у всех на глазах, был искренне возмущен безобразным поступком, то бишь неравным браком племянника, и приказал немедленно лишить его всех чинов и звания флигель-адъютанта. Щепетильного государя уговорили повременить — надо прояснить суть дела.

Дача оренбургского полицмейстера Драйера находилась по соседству с великокняжеской, и неудивительно, что Николай Константинович, лишенный человеческого общения, вскоре сошелся с хорошенькой полицмейстерской дочкой Надеждой Александровной. Когда стало ясно, что обоюдное увлечение не ограничилось несколькими встречами, семью Драйер отправили в Самару. Но дочь не последовала за родителями, оставшись рядом с великим князем. Любовная связь стала явной для провинциальной оренбургской публики и, чтобы не оскорблять патриархальных родительских чувств отца возлюбленной, великий князь 15 февраля 1878 года вступил в тайный брак с Надеждой Александровной. Венчавшему их сельскому священнику он назвался отставным полковником Николаем Константиновичем Волынским, ибо назовись он Романовым, батюшка побоялся бы совершить обряд бракосочетания. Но все тайное со временем становится явным, особенно если это касается августейшего семейства. Поэтому Петербург спустя три месяца узнал об ужасном поступке высокого больного. Его надзиратель граф Ростовцев — недаром же баловался либерализмом в молодости, переписываясь с А. И. Герценом, — посмел обратиться к Александру II с искренними словами о своем подопечном. «Его высокое положение, — писал граф, — и личные качества привлекают к Нему женщин неотразимо. В Нем же господствует потребность к сношениям с женщиной не только как предметом обладания, но и как средством удовлетворения других сторон жизни… Сношение Великого Князя с женщиной по Его выбору для Него необходимо как средство, сохраняющее в равновесии Его физическую и психическую природу». Далее граф сообщал, что весь Оренбург был возмущен переводом в другой город с понижением в должности полковника Драйера, известного здесь многолетней полезной деятельностью, а Николай Константинович, считавший себя причиной этой несправедливости, серьезно заболел из-за переживаний за тестя. Граф умолял императора не лишать свободы повенчанной Надежды Александровны и отменить незаслуженную немилость к ее отцу.

Суть дела была ясна, и 6 июня 1878 года государь собрал министров для решения единственного вопроса: смотреть на своего племянника, обвенчавшегося обманным образом (то есть под фамилией Волынского) на основании прежнего акта, которым он признан помешанным, или поступить с ним по всей строгости законов? Выслушав эксперта-юриста князя С. Н. Урусова, государственные мужи, желая показать друг другу превосходство своего ума, поспорили, после чего мирно разошлись, так и не придя к какому-либо решению.

Спустя две недели настойчивый государь вновь собрал свою чиновничью гвардию и задал тот же вопрос. Деваться было некуда, и единогласно постановили расторгнуть брак великого князя с девицей Драйер. Так как подобное решение являлось прерогативой Святейшего Синода, то немедленно отослали архиереям свое волеизлияние. О мере же наказания Николая Константиновича немного посудачили. Государь настаивал, что надо лишить его звания флигель-адъютанта. Хладнокровный военный министр граф Д. А. Милютин возразил, что подобное оскорбительное наказание вызовет пересуды в придворных кругах и бросит тень на всю августейшую фамилию. В конце концов постановили продолжать считать Николая Константиновича психически больным и уволить его со всех постов, которые за ним еще числятся, усилить лечение и надзор, особое внимание обратив на то, «чтобы Великий Князь избегал постоянной связи с одной и той же женщиной, последствием чего могут быть только непозволительные обещания и обманутые надежды».

Несмотря на новые строгости, Николай Константинович готовился к очередному путешествию в пустыню. «Состояние духа Его Высочества угнетенное, девица Драйер уезжает к своим родным. Великий Князь с нею виделся, но не нарушал приличия общественного», — сообщает граф Ростовцев 1 сентября 1873 года в Петербург. На следующий день экспедиция покинула Оренбург и после месяца трудов в пустыне направилась прямо в Самару, выбранную следующим местом ссылки высокого больного.