Несмотря на свою тогдашнюю занятость, Николай Иванович сильно хандрил. Поэтому на некоторое время он устранился от занятий историей и ударился в чтение книг по физике и астрономии, прочтя с большим наслаждением Гумбольдта.
С весны 1853 года Николай Иванович принялся за архивную работу; он перебрал все, что мог найти печатного из актов и документов, касающихся внутреннего русского быта прошедших времен, и делал выписки на особых билетах, составляя из них каталоги, касающиеся разных отраслей исторической жизни. Это занятие растянулось на годы и увлекало Николая Ивановича до конца его пребывания в Саратове.
В этот период началась его дружба с Н. Г. Чернышевским, А. Н. Пыпиным, Д. Л. Мордовцевым и др. В губернском управлении, к секретным делам которого Костомарова неосторожно допустили, обнаружились материалы по истории раскола, которые историк затем использовал во многих своих научных трудах. В периодике появились анонимно изданные им местные народные песни.
В Саратове же были в основном написаны произведения, которые сразу по окончании ссылки поставили ученого в ряд выдающихся историков России. Как в годы участия в деятельности «братства», так и впоследствии его научные исследования шаг за шагом раскрывали историю народа, жизнь его деятелей. Вполне справедливо мнение ученого о том, что «история, занимаясь народом, имеет целью изложить движение жизни народа». Исторические монографии ученого публиковались журналами и многократно переиздавались в XIX – начале XX века как важнейший материал российской общественной жизни. Вот лишь главные из этого множества работ, вышедших по возвращении его из ссылки: «Иван Свирговский, украинский гетман XVI века» («Москвитянин», 1855); «Борьба украинских казаков с Польшею в первой половине XVII века до Богдана Хмельницкого» («Отечественные записки», 1856); «Богдан Хмельницкий и возвращение Южной Руси к России» (там же, 1857); «Очерк торговли Московского государства в XVI и XVII столетиях» («Современник», 1857–1858); «Бунт Стеньки Разина» («Отечественные записки», 1858), а также масса изданных народных песен и повестей и др.
Именно в Саратове Н. И. Костомаровым были задуманы и написаны такие фундаментальные сочинения, как «Очерк торговли Московского государства в XVI и XVII столетиях» и «Бунт Стеньки Разина», поставившие его в 60-х годах XIX века, по оценкам многих ученых, в первые ряды историков России.
В Саратове Н. И. Костомаров много работал, занимался не только фольклором и этнографией, физикой и астрономией, статистикой, но и активно интересовался вопросами общественно-политической жизни, в частности революционными событиями 1848 года в странах Западной Европы.
Так, в письме В. М. Белозерскому от 16 июня 1848 года Н. И. Костомаров просил выписать французский журнал, ибо ему очень хотелось «систематически изучить перевороты 1848 года». Дальнейшая переписка свидетельствует о том, что эта его просьба была удовлетворена. Тогда же историк читал и герценовский «Колокол».
В период работы делопроизводителем Саратовского статистического комитета Н. И. Костомаров глубоко изучил статистику этого края, написал и опубликовал исследования «Взгляд на состояние саратовской вывозной торговли в отношении предполагаемой железной дороги между Москвой и Саратовом», «О промышленной, ремесленной и торговой деятельности в уездных городах Саратовской губернии в 1853 году».
Зиму 1855/56 года Н. И. Костомаров провел в Петербурге, усиленно работая в Публичной библиотеке. Широту научных интересов и новаторство Н. И. Костомарова в постановке ряда тем подтверждает его намерение составить историю реки Волги «по всем доступным историческим источникам» с приложением видов волжских городов в XVII веке и карты Волги XVI–XIX веков. Но этот его замысел остался нереализованным. В то время не нашлось издательства, которое бы взяло на себя оплату и издание такого труда.
После коронации нового императора в 1856 году последовал манифест, освободивший Н. И. Костомарова от надзора. Николай Иванович решил задержаться в Саратове, чтобы подготовить к печати «Очерк торговли», а в следующем году поехать за границу вместе с доктором Стефани.
О Шевченко Николай Иванович ничего не слышал до 1857 года. В этом году осенью, вернувшись из поездки за границу, он узнал, что Шевченко заезжал к нему в Саратов, возвращаясь по Волге из Петровского укрепления, в котором в последние перед тем годы служил рядовым. Потом Костомаров услышал, что Шевченко запретили жить в Петербурге и поэтому тот прожил зиму в Нижнем Новгороде, где, как рассказывали, чуть было не женился на какой-то актрисе.
