Впервые Бутаков появился в Англии в 1851 г., когда был командирован для перевода в Николаев закупленного буксирного парохода «Дунай», командиром которого он был назначен. Только к 17 сентября ему удалось провести на Темзе первое испытание «Дуная». Средний ход парохода был удовлетворительным — 10,5 узла, но Бутакова весьма беспокоило то обстоятельство, что судно имело большую осадку. Однако, несмотря на обнаруженные недостатки, ему было приказано немедленно принять «Дунай» и возвращаться на родину. 22 ноября 1851 г.

Бутаков привел пароход в Николаев. К этому времени относится изобретение Григорием Ивановичем компаса с наклонной стрелкой. Особенность устройства компаса Бутакова состояла в том, что в нем картушка в любых условиях сохраняла горизонтальное положение, а магнитная стрелка, связанная с ней, могла под воздействием сил земного магнетизма наклоняться. У такого компаса магнитная стрелка «рыскала» значительно меньше, а, следовательно, пользоваться им было гораздо удобнее. Спустя год — 3 декабря 1852 г. — он был назначен командиром пароходофрегата «Владимир», лучшего парового корабля Черноморского флота. В феврале — мае 1853 г. в составе чрезвычайного посольства находился в Константинополе.

Участник Крымской (Восточной) войны 1853–1856 гг. 5 ноября 1853 г., командуя «Владимиром», захватил турецкий пароход «Перваз-Бахри». В этом, первом в истории, бою между двумя паровыми кораблями Бутаков показал, как надо сочетать маневр с артиллерийским огнем. То был превосходный образец умелого использования тактических свойств парового корабля (и прежде всего его высокой маневренности) в целях достижения наибольшей эффективности огня корабельной артиллерии. Установив, что у неприятельского парохода на корме нет орудий, Бутаков, используя превосходство в скорости хода, намеренно избегал бортового огня противника. Идя почти в кильватер турецкому пароходу, Бутаков вел по нему огонь из носовых орудий. За эту блестящую победу Бутаков был награжден орденом Св. Георгия 4-й степени и 38 тысячами рублей призовых денег. «Перваз-Бахри» был поставлен на ремонт и переименован в «Корнилов». Впоследствии участвовал в крейсерских операциях. 18 ноября 1853 г. он находился на борту флагманского пароходофрегата «Одесса» (находился под флагом вице-адмирала Корнилова), который вместе с пароходами «Крым» и «Херсонес» вышел на помощь эскадре Нахимова, принявшего Синопское сражение. Пароходы пришли, когда жестокий бой, продолжавшийся три часа, подходил уже к концу. В декабре 1853 г. произведен в капитаны 2-го ранга. В 1854–1855 гг. — участник обороны Севастополя. Паровые суда широко использовались командованием во время обороны города: они обстреливали неприятельские позиции и батареи, перевозили войска и раненых, буксировали баржи, доставляли в город и на Корабельную сторону фашины и туры, необходимые для возведения новых укреплений и для исправления старых, и т. д. Приказом Корнилова от 21 сентября 1854 г. охрана с моря 1-го и 2-го бастионов и Малахова кургана, находящихся на левом фланге оборонительной линии Южной стороны на берегу Севастопольского рейда, была возложена на пароходофрегаты «Владимир» и «Крым», действовавшие под общим командованием Г.И. Бутакова. Артиллерия этих судов, стоявших в Киленбалочной бухте, должна была обстреливать находившиеся в пределах ее досягаемости высоты, занятые противником. Меткий огонь «Владимира» мешал неприятелю сооружать на горе против Киленбалочной бухты так называемую пятиглавую (состоявшую из пяти амбразур) батарею для действий против Малахова кургана. Матросы пароходофрегата шутили: «пятиглазка» окривела и превратилась в одноглазого «циклопа». В тяжелых условиях осады команды русских пароходофрегатов доказали возможность исправления судов в ходе боевых действий. Так, во время бомбардировки Севастополя противником 5 октября 1854 г. пароходофрегат «Владимир» получил подводную пробоину, через которую в корабль стала поступать вода. Эта критическая ситуация не повлекла за собой прекращение обстрела неприятельских позиций кораблем, которым командовал капитана 2-го ранга Бутаков. За борт были опущены водолазы, которые заделали пробоину. В июне 1855 г. Бутаков обратился с просьбой к Нахимову послать его на какую-нибудь батарею, заявив ему, что в такой критический для обороны города момент он не может оставаться на пароходе, «менее опасном и менее трудном физически». Эту просьбу адмирал Нахимов категорически отказался удовлетворить, указав, что его — Бутакова — следует сохранить для будущего флота. За активную помощь корабельной артиллерией защитникам Малахова кургана Григорий Иванович Бутаков 27 июля 1855 г. был награжден золотой саблей с надписью «За храбрость». Несмотря на героизм защитников, удержать Малахов курган не удалось. Вечером

27 августа начался общий отход русских войск. Пароходы и все имевшиеся в наличии шлюпки беспрерывно перевозили на Северную сторону войска и различные грузы. «Владимир» в эту ночь перевез в два рейса 2490 человек. В ночь на

28 августа были затоплены последние парусные суда Черноморского флота. В ночь на 31 августа капитан 1-го ранга Бутаков получил приказ затопить все пароходы. В час ночи все команды кораблей свезли на берег, а в 3 часа по условному сигналу все пароходы подожгли, открыв предварительно кингстоны. За участие в обороне Севастополя награжден орденами Св. Анны 2-й степени с мечами и Св. Владимира 4-й степени с бантом.

26 августа 1856 г. Григорий Иванович Бутаков был назначен главным командиром Черноморскою флота и военным губернатором Николаева и Севастополя.

В это же время он был произведен в контр-адмиралы с зачислением в Свиту Е.И.В. В феврале 1860 г. переведен на Балтийский флот с назначением начальником практической эскадры винтовых кораблей — винтовых канонерских лодок в количестве 41 единицы. В сентябре 1862 г. участвует в производстве опытов по использованию миноносного тарана канонерской лодки «Опыт», построенной в 1861 г. в С.-Петербурге и являвшейся первым бронированным кораблем в России, положившим начало развитию отечественного броненосного флота. Небольшая канонерская лодка «Опыт» была целиком построена из металла. Единственное орудие размещалось на носу за бронированным укрытием — бруствером, сделанным из 114-мм железной брони, изготовленной на кронштадтских заводах.

9 октября 1862 г. контр-адмирал Бутаков был послан в командировку в Англию. Здесь он познакомился со строительством военных кораблей с башенными орудийными установками, позволяющими вести артиллерийский огонь независимо от курса стреляющего корабля и его положения по отношению к кораблю противника. Познакомился Бутаков и с новыми системами артиллерийских орудий, изготавливавшихся на заводах Армстронга.

В начале 1863 г. Григорий Иванович возвратился из заграничной командировки и вскоре (16 апреля) был назначен агентом Морского министерства при российских посольствах в Лондоне и Париже (с основным местом пребывания во французской столице). Несмотря на то, что правительством России было принято принципиальное решение о возрождении флота на русских заводах силами отечественных специалистов, для ускорения освоения зарубежного опыта первый броненосный корабль был заказан в Англии. В 1862 г. Темзенский завод в Лондоне получил заказ на строительство броненосной батареи «Первенец», имевшей водоизмещение около 3300 т. Корпус «Первенца» был обшит броней толщиной 112 мм, на нем было установлено 26 гладкоствольных орудий (152 и 200 мм), расположенных по бортам. Кроме того, в носовой части был устроен таран. В Англию были направлены инженеры, техники, мастера для наблюдения за строительством и приобретением необходимого опыта в области железного судостроения. Координация всей этой работы легла на плечи русского военно-морского агента. Энергичная деятельность контр-адмирала Бутакова, связанная с броненосным судостроением, довольно быстро стала вызывать недовольство русскою чрезвычайного и полномочного посланника в Лондоне Ф.И. Бруннова, который считал производимые военно-морским агентом технические заказы слишком расточительными. Бруннов несколько раз докладывал об этом министру иностранных дел А.М. Горчакову, который в свою очередь адресовал жалобы посла в Морское министерство. 8 июля 1863 г. управляющий Морским министерством адмирал Н.К. Краббе в своем письме посланнику в Лондоне постарался разъяснить позицию руководителей флота в области заграничных заказов, в частности связанных со строительством броненосцев. «…Со времени вступления моего в управление Морским министерством (с апреля 1860 г. — Примеч. авт.)—писал адмирал Краббе, — я неуклонно стремлюсь к прекращению выписки из заграницы предметов, нужных в морском деле, чтобы избегнуть зависимости от заграничной промышленности; но, к со-жалению, новость броненосного судостроения и младенческое состояние наших заводов в России по железному производству и изготовлению машин на этот только раз вынудили сделать несколько значительных и совершенно необходимых заказов в Англии, которые в настоящее время, когда на поспешном сооружении броненосного флота основана возможность защиты Кронштадта и самой столицы, приобрели важность и значение» (Смирнов В.Г. Указ. соч. 131–132). Далее Н.К. Краббе отмечал, что представителям Морского министерства в Англии, имея в виду в первую очередь Г.И. Бутакова, «даны обширные полномочия относительно принятия мер, чтобы сделанные заказы были выполнены как можно скорее». Адмирал указывал, что «из полученных от них сведений видно, что исполнение по многим заказам замедлилось и от хода политических событий будет зависеть, возможно ли дальнейшее в сем отношении ожидание». Повторялась ситуация с постройкой на английских верфях кораблей по заказам России накануне Крымской войны. По сути, в 1863 г. Г.И. Бутаков, как и все сотрудники русского посольства в Лондоне, оказались «во вражеском окружении». Это было связано с ухудшением российско-английских отношений в связи с «польским вопросом».