При университете в те времена только-только появился математический кружок, позже превратившийся в Московское математическое общество. Уже с первого курса Николай Жуковский выделялся в общей массе студентов своими математическими способностями, и неудивительно, что его привлекали к работе в кружке. Тем временем финансовое положение семьи Жуковских становилось все хуже и хуже. Николай был вынужден репетиторствовать, издавал лекции своих преподавателей. Учебные достижения Жуковского уже не были так высоки, чтобы добиться если не стипендии, то хотя бы отмены платы за обучение. К тому же ему приходилось материально поддерживать братьев Ивана и Валериана, также учившихся в Москве. Все время учебы в университете Жуковский в буквальном смысле жил впроголодь, ходил зимой в жалком пальтишке, зачастую спал на досках, покрытых одной простыней.
Несмотря ни на что, юношеская мечта не покинула Николая: он хотел стать инженером. Поэтому в 1868 году, окончив университет, он поступил в Петербургский институт инженеров путей сообщения. Но замыслам молодого человека реализоваться было не суждено. Его здоровье, подорванное тяжелой московской жизнью, еще ослабил петербургский климат, а его усидчивость не менее отчаянно боролась с геодезией и черчением, науками, к которым способностей у юноши не было. В итоге и здоровье, и усидчивость потерпели поражение: весной 1869 года Жуковский покинул институт и оправился в Орехово. Здесь он некоторое время жил по совету врачей, которые установили сильное переутомление и рекомендовали хорошее питание, покой и временный отказ от умственной деятельности.
За время этого вынужденного, но столь необходимого отдыха, Николай Жуковский принял решение сделать научную карьеру. Однако сначала необходимо было позаботиться о хлебе насущном. Осенью 1870 года окрепший Жуковский отправился в Москву, где приступил к работе во 2-й женской гимназии. Преподавательскую работу он совмещал с самостоятельной подготовкой к экзаменам на право защищать магистерскую диссертацию. Экзамены были успешно сданы в начале 1871 года, после чего Жуковский получил право преподавать в высших учебных заведениях. Со следующего года Николай Егорович стал преподавателем математики Московского технического училища (позже Московского высшего технического училища имени Н. Э. Баумана – МВТУ). Здесь ученый проработал почти до конца своих дней. Также с 1872 года он преподавал в Практической академии коммерческих наук.
В 1876 году Николай Жуковский защитил диссертацию «Кинематика жидкого тела», получившую весьма лестные отзывы. После защиты ученый стал магистром прикладной математики и отправился в заграничную командировку, целью которой было продолжение исследований и сбор материалов для работ по гидродинамике. После возвращения на родину в октябре 1879 года Николай Егорович был назначен экстраординарным профессором аналитической механики МВТУ (штатным профессором он стал в 1887 году). Он также принимал активное участие в деятельности Политехнического общества. Примерно в это же время молодой ученый стал проводить первые исследования в области воздухоплавания и аэродинамики. Некоторые из его экспериментов были не только интересными, но и опасными, например, он сделал шелковые крылья на бамбуковом каркасе, надевал эти крылья на себя и, изучая действие подъемной силы, съезжал на велосипеде с горы, развивая очень большую скорость. 1 ноября 1881 года Жуковский выступил со своим первым докладом, касающимся вопросов воздухоплавания.
30 апреля 1882 года Николай Егорович успешно защитил докторскую диссертацию «О прочности движения». Это дало ему возможность преподавать в Московском университете. В 1885 году Жуковский занял должность приват-доцента, а еще через год экстраординарного профессора. Теперь преподавательская нагрузка ученого стала просто колоссальной, но при этом он успевал заниматься и научной работой. В том же 1885 году вышла серьезная и важная работа «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью». Сочинение это было удостоено премии Московского университета как лучшее сочинение по математике. Свое практическое применение исследования, начатые Жуковским в этой области, нашли только в XX веке, при расчетах движения ракет, баки которых наполнены горючим, но и в конце XIX столетия работа стала известна в научных кругах и получила заслуженное одобрение.
Тем временем ученого все больше и больше занимала проблема покорения воздушной стихии. В 1889 году он принял участие во Всемирном конгрессе воздухоплавателей в Париже, в начале 1890-го выступил с докладом «К теории летания» на съезде русских естествоиспытателей. В нем Николай Егорович впервые задался вопросом о происхождении подъемной силы. Далее последовал целый ряд работ и докладов по динамике полета. В 1890-х годах Жуковский опубликовал более сорока работ. Одним из первых стал труд «О парении птиц», в котором исследовались механизмы парения с набором и потерей высоты, изучались траектории передвижения центра тяжести птицы, приводились результаты экспериментов по измерению подъемной силы, рассматривались возможности исполнения летательными аппаратами сложных маневров, в том числе и «мертвой петли», которую через 21 год выполнил русский летчик Петр Нестеров.
Не прекращал Жуковский и исследования в области гидродинамики. В 1890 году он написал работу «Видоизменение метода Кирхгофа для определения движения жидкости в двух измерениях при постоянной скорости, данной на неизвестной линии тока». Не вникая в подробности, скажем, что в этом труде ученый изложил свой собственный метод, значительно расширивший возможности гидравлических расчетов. В 1897–1899 годах он изучал причины аварий на водопроводных линиях. Итогом этих исследований стала публикация фундаментального труда «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». В нем автор ввел понятие гидравлического удара и привел целый ряд соответствующих расчетов. Эта работа также получила широкую известность во всем мире.
Очень удачно в последнее десятилетие XIX века складывалась и личная жизнь Николая Жуковского. В 1894 году Надежда Сергеевна Сергеева, гражданская жена Жуковского, родила дочь Елену, а в 1900-м – сына Сергея. Елена стала любимицей ученого, впоследствии она сопровождала отца в заграничных поездках, ездила с ним на испытания и аэродромы. Отец и дочь часто вместе посещали театры, совершали загородные прогулки.
В 1900 году кандидатуру Жуковского выдвинули в действительные члены Академии (членом-корреспондентом он был с 1894 года). Но избрание в Академию требовало переезда в столицу, а Жуковский не желал оставлять учеников и начатой работы и поэтому взял самоотвод. В 1902 году ученый построил при университете аэродинамическую трубу. Николай Егорович и его ученики разработали методику аэродинамических исследований, сконструировали некоторые приборы. В 1904 году в Кучино под Москвой был открыт Аэродинамический институт. Основан он был на деньги мецената Д. П. Рябушинского, а руководил созданием института Жуковский.
