В 1866 г. - 1900-х гг. в результате ряда преобразований укрепились численно и усовершенствовались качественно организации, выполняющие государственные и военно-государственные съемки (ВТО Главного штаба и Корпус военных топографов). В этот период Военно-топографическая служба русской армии приняла тот облик (штат, структура, задачи), который в основном сохранился до 1917 г. Деятельность же офицеров Генерального штаба (с конца 1870-х гг.) получила новое направление - преимущественно службы при войсках, поэтому их участие «в геодезических и картографических работах не могло остаться таким, как прежде», а руководство практически всеми съемками было возложено на военных геодезистов, выпускников Николаевской академии Генерального штаба. Предназначение Военно-топографического училища в этот период изменялось - от подготовки съемщиков, руководителей топографических съемок и производителей геодезических работ (1866-1877) до подготовки производителей геодезических, топографических и картографических работ (1877) и только производителей топографических работ (1886).
В 1860-1990-е гг. ведущая роль по объему и качеству астрономо-геодезических, топографических и картографических работ, проводившихся в России, по-прежнему принадлежала Военному ведомству. К этому времени площадь, покрытая российскими сетями триангуляции, превысила площадь триангуляционных сетей всех других государств Европы вместе взятых. Значительная часть сил и средств Корпуса военных топографов выполняла съемку и рекогносцировку западной части территории европейской России - наиболее важной в военно-экономическом отношении, активизировались работы на российском Дальнем Востоке, начались - в Маньчжурии и Корее. Карты, составленные и изданные ВТО Главного штаба, были высоко оценены на международных выставках и конгрессах. Однако, несмотря на это, картографическая изученность территории России была еще далеко не полной.
В 1860-е - начале 1900-х гг. общегосударственная и военная картография получила дальнейшее развитие за счет усовершенствования старых и разработки новых методов определения высот точек, необходимых для составления топографических и географических карт в отдаленных и малоизученных районах (невысокой точности барометрическое нивелирование), для составления карт с обязательным изображением рельефа горизонталями на единой и точной высотной основе в освоенных районах России (точное тригонометрическое нивелирование), для решения практических и научных задач, связанных с выявлением периодических колебаний земной поверхности (высокоточное геометрическое нивелирование). Большой вклад в развитие этих методов внесли представители Военного ведомства, позже получившие мировую известность, - военный географ и астроном генерал-майор М.В. Певцов (автор астрономического способа определения географической широты), военный геодезист и астроном генерал-лейтенант Н.Я. Цингер (автор астрономического способа определения географической долготы) и военный геодезист генерал-майор С.Д. Рыльке (автор каталога высот - «Каталога Рыльке»).
Неоценимый вклад в дело развития наук о Земле, военной картографии и географии в последней четверти XIX в. внес генерал-лейтенант А.А. Тилло - выдающийся военный геодезист, картограф и географ, основатель школы отечественной гипсометрии. Для создания своей знаменитой гипсометрической карты с правильным изображением рельефа земной поверхности на территории России он собрал, обработал и обобщил громадный материал, исчисляющийся несколькими десятками тысяч пунктов, определенных по высоте геометрическим, тригонометрическим и барометрическим нивелированием, использовал данные тысяч верст точного нивелирования вдоль железных и водных путей, данные 3-верстной военно-топографической карты Западной России и архивных карт, географические сведения о рельефе. Кроме того, на основе обработки обширного материала по определению элементов земного магнетизма он составил первые магнитные карты на территорию России, а также карты, отображающие периодические изменения магнетизма для всего земного шара. Многие из его работ не утратили актуальности и по сей день, положили начало развитию методов использования карт как средства научного исследования.
Проверкой качества военных реформ, проведенных под непосредственным руководством военного министра генерал-адъютанта Д.А. Милютина, уровня развития военной картографии к исходу 1870-х гг. стала русско-турецкая война 1877-1878 гг. В целом Военно-топографическая служба русской армии успешно справилась с поставленными задачами, а военная картография, несмотря на быстротечность этой кампании, обогатилась некоторыми новациями и опытом, который в той или иной мере был использован в последующих войнах. Так, в указанный период были опробованы и получили развитие впервые сформированные на время войны ВТО Полевого штаба действующей армии и временные полевые части (триангуляции, военно-топографические съемки и рекогносцировки), занимающиеся астрономо-геодезическими работами, съемками, исправлением карт, составлением и изданием топографических карт и планов. В период войны впервые в интересах войск стали применяться геодезические засечки с определением расстояний до неприятельских укреплений, в результате чего стрельба русской артиллерии стала более эффективной. Составленные схемы триангуляционных сетей, с подписанными расстояниями до турецких укреплений стали прообразом будущих артиллерийских карт. Таким образом, 1877 г. стал отсчетным в зарождении топогеодезического обеспечения войск русской армии. Результаты выполненных военными геодезистами и топографами работ нашли отражение не только в топографических картах и планах, но и в обзорно-географической карте Европейской Турции (территории современной Болгарии и Румынии).