Суровая русская погода зимой 1867–1868 годов привела к тому, что железнодорожные рельсы, сплошь поставляемые иностранцами, полопались и все внутреннее сообщение в стране было парализовано. Находчивый Путилов обратился к министру путей сообщения П.П. Мельникову с предложением организовать производство железнодорожных рельс для нужд отечественного транспорта из русских материалов и привлечением местной рабочей силы. Путилову был передан в долг железоделательный завод на берегу Финского залива, который в счет будущих поставок имел право монопольно использовать отслужившие свой срок железнодорожные рельсы. Таким образом, Путилов первым в России организовал промышленную переплавку металлического лома.
Путилову был выдан немалый кредит под условие, что запуск завода должен был состояться в течение месяца. Не останавливая производство, Путилов начал реконструировать завод. Он руководил всем процессом перестройки и запуска, не скупился на затраты, приглашал к себе лучших специалистов. Предприниматель вербовал рабочих и из числа крестьян. При строительстве завода была отработана схема запуска производства в кратчайшие сроки, получившая название «путиловской»: в начале января Путилов получил права на завод, а уже в 20-х числах предприятие начало работать в 3 смены. Сдавали по 5000 пудов рельсов в сутки. Через год завод вышел в лидеры по сравнению с другими металлургическими предприятиями в России.
На испытание первых образцов продукции приехал сам великий князь Константин Николаевич, который был весьма впечатлен результатом, особенно в сравнении с неудачами английских рельс.
Через год на заводе числилось две тысячи рабочих. Там работало несколько мастерских: прокатные, литейные, механические и бессемеровские кузницы. В семидесятые годы XIX века было начато строительство сталелитейной и мартеновской мастерской. Путиловский завод стал основным поставщиком разнообразной продукции для активно развивающегося железнодорожного транспорта – рельсы, вагоны, паровозы, мостовые фермы. Это было самое большое и современное машиностроительное предприятие России.
Первоочередной задачей Путилов определил себе обучение рабочих. С этой целью при заводе открывается школа и вечерние классы для взрослых, где преподают важные для производства предметы: черчение, геометрию, технологию. Это была первая на тот момент школа в Петербурге, которая вскоре была преобразована в техническое училище.
Путилов занимался и обустройством быта рабочих, строил общежития и больницы, находил средства для того, чтобы упорядочивать снабжение продовольствием. При заводе было организовано общество потребителей.
Со временем оно разрослось и включало в себя четыре магазина, столовую, дровяной склад и квасоварню.
Одновременно Путилов расширял производственные мощности, наращивал выпуск продукции, увеличивал ассортимент. В 1870 году в прокатной появился бессемеровский конвертор для литья стали и артиллерийских снарядов, которые изготавливали по технологии Путилова. Очередные испытания продемонстрировали их превосходство по качеству перед снарядами Круппа.
Ассортимент выпускаемой на заводе продукции постоянно расширялся: здесь изготавливались перекрытия и опоры для мостов, инструменты, узлы для паровозов, разнообразные грузовые и пассажирские вагоны. На заводе приступили к закладке каменной механической мастерской для производства собственных паровозов. Чтобы не зависеть от поставщиков, Путилов заложил собственную железнодорожную ветку, которая соединила предприятие с главными магистралями России. К этому времени завод считался был старейшим и самым крупным металлургическим предприятием в стране.
Завод стоял на берегу залива. Перед Путиловым стояла задача создания настоящего морского порта при заводе и соединения его глубоководным каналом с Кронштадтом. Морского порта в Петербурге не было. Из-за того, что Финский залив был слишком мелок, грузы с океанских кораблей необходимо было перегружать на барки в Кронштадте, а потом буксировать в Неву. Всё это удваивало стоимость доставки. Путилов же собирался соединить в единое целое три пути – морской, речной и железнодорожный.
Для реализации своей идеи Путилов намеревался взять заем у немецко-русского торгово-промышленного банка, но не смог получить кредит. В итоге Путилов решает использовать аванс, полученный на производство паровозов, а долг отдать за счет реализации вагонов. Но в Россию приходит кризис, строительство железных дорог сокращается. Перед Путиловым встает непростой выбор: сократить производство или закрыть завод. Он предпочитает третий путь: предлагает рабочим работать в долг. Получив деньги для оплаты строительных материалов, Путилов раздает их в качестве зарплаты. Отдавать долги нечем.
Все больше и больше залезая в долги, Путилов продает свою долю в Обуховском заводе и часть Путиловского. На Путиловском начались массовые сокращения рабочих и задержки с выплатой жалованья.
Николай Путилов умер от инфаркта 18 апреля 1880 года. Известен факт, что гроб с его телом рабочие завода пронесли весь путь на руках от дома до кладбища – это более 20 километров.
Через пять лет после его смерти 15 мая 1885 года новый Морской торговый порт заработал вместе с открытием 32-километрового канала для прохода судов.
