Игнатьеву было поручено изучить новейшие достижения артиллерийского и инженерного дела в Англии, а также «привести в ясность военно-политические замыслы врагов наших в Европе и Азии». Он находился в распоряжении посла в Париже П.Д. Киселева. На Парижской мирной конференции Игнатьев в качестве военного эксперта принимал участие в переговорах с Турцией об определении границ. Переговоры увенчались блестящим для России успехом, в чем была немалая заслуга Игнатьева.
В 1857 году Николай Павлович отправился в большое путешествие по Европе и странам Ближнего Востока — он посетил Вену, Белград, Афины, Стамбул, Сирию, Палестину.
Вернувшись в Петербург, Игнатьев погрузился в среднеазиатские дела. Он подал несколько записок министру иностранных дел А.М. Горчакову с предложением отправить в Среднюю Азию ряд научных экспедиций, которые также изучали бы возможности развития торговли и собирали разведовательные сведения. Этот план был принят. В 1858 году экспедиции во галаве с Игнатьевым было поручено установить дипломатические отношения с Хивинским и Бухарским ханствами.
Хивинский хан с недоверием отнесся к русской миссии. Под угрозой смертной казни жителям Хивы запрещалось разговаривать с русскими. Переговоры выдались тяжелыми и безрезультатными. В Бухаре Игнатьев заключил благоприятный для России договор, предусматривавший свободное плавание по реке Амударье русских судов, сокращение в два раза таможенных пошлин на ввозимые товары, учреждение в Бухаре торгового агентства. Бухарский эмир согласился на освобождение русских пленных и выслал по просьбе Игнатьева из Бухары английских агентов. В декабре 1858 года посольство Игнатьева возвратилось в Оренбург.
Результаты миссии Игнатьева высоко оценили в Петербурге. На докладной записке Александр II поставил резолюцию: «Читал с большим любопытством и удовольствием. Надобно отдать справедливость генерал-майору Игнатьеву, что он действовал умно и ловко и большего достиг, чем мы могли ожидать».
Другим важным событием в начале дипломатической карьеры Игнатьева стала его поездка в Китай. В мае 1858 года в Айгуне был подписан русско- китайский договор, однако китайское правительство вскоре отказалось от его ратификации.
Игнатьев прибыл в Китай в разгар англо-франко-китайской войны. Китайцы отказались обсуждать с ним спорные и нерешенные вопросы, вновь отвергли военную помощь. Тогда Игнатьев вошел в доверие к англо-французским союзникам. Ему удалось также завоевать высокий авторит у высших сановников Цинской империи, чему способствовало влияние русской духовной миссии в Пекине. 4(16) октября 1860 года Игнатьев прибыл в Пекин. В это время англо-французские войска приближались к городу. Оказавшись в безвыходном положении, великий князь Гун обратился Игнатьеву с просьбой о посредничестве и примирении с западными державами. Гун обещал «завершить все дела с Россией тотчас по заключен мира» с Англией и Францией.
Игнатьев содействовал цинским сановникам на переговорах по заключению Пекинских англо-китайского и франко-китайского договоров, писал Николай Павлович Горчакову, китайские сановники «не предпринимали ничего, не спрося предварительного моего мнения и указания, как поступить». Игнатьеву принадлежит огромная заслуга в спасении Пекина с его императорским дворцом и древними историческими памятниками от разрушения.
30 октября был подготовлен текст русско-китайского договора, который был подписан 2(14) ноября 1860 года в Пекине. Россия приобрела территории, частично освоенные ею еще в XVII веке. Договор первыми оценили сибирские купцы. При проезде Игнатьева через Кяхту ему был преподнесен адрес, подписанный более чем 100 купцами Сибири, где выражалась благодарность за попечение об интересах русской торговли.
Игнатьев получил чин генерал-адъютанта и назначение на ответственный пост директора Азиатского департамента МИД. Он был человек находчивым, умевшим войти в доверие к партнеру, сыграть на его слабостях. Использование разногласий и противоречий между противниками России являлось одним из эффективных приемов, применявшихся Игнатьевым. О его хитрости и коварстве ходили легенды. Сам же Игнатьев отмечал в одном из писем к родителям, что обладает русской сметкой, «которую люди принимают за хитрость и коварство».
В 1859–1861 годах в Петербурге состоялось несколько межведомственных совещаний по среднеазиатской политике. Наиболее аргументированно в пользу решительных действий в Средней Азии высказывался Игнатьев, который мотивировал необходимость наступательной политики в Средней Азии неизбежностью борьбы с Англией. На Балканах главную задачу дипломатии Игнатьев видел в восстановлении позиций России в этом регионе, для чего надо было перейти к поддержке освободительных стремлений балканских народов. Игнатьев призывал активизировать русскую политику в Средней Азии и на Дальнем Востоке, установить постоянные отношения с Китаем…