На обратном пути в Россию Бенуа посетил Францию и Англию. Это была великолепная возможность увидеть страны, в которых архитектура средневековья достигла совершенства.
3 ноября 1846 года Николай Бенуа вернулся в Петербург, пробыв за границей шесть с половиной лет, полный желания как можно быстрее применить знания, полученные во время пенсионерства. Романтическое направление в архитектуре, которое за время пребывания Бенуа за границей окончательно определилось в России, открывало широкие возможности перед молодым зодчим.
18 декабря 1846 года архитектор был зачислен на службу в Кабинет его императорского величества с жалованием, «равным содержанию профессора II степени, то есть по 715 руб. серебром в год». Николай I, памятуя о встречах в Риме, благоволил к нему. Последовали заказы для царской семьи, носившие, правда, прикладной характер.
Первые архитектурные композиции на родине он делает по частным заказам. Сохранились эскизы церкви с колокольней для имения Н.М. Павлова близ Павлограда, «проект пятиглавой церкви в русском стиле в Малороссии для имения А.М. Шидловского». В отчетах Академии художеств за 1847—1848 годы упоминаются также проект галереи для Петергофского дворца, постройка сыворотколечебного заведения для докторов Лильенберга и Виткова в столице.
Первому десятилетию после возвращения суждено было стать наиболее плодотворным этапом творческой деятельности Бенуа. Его излюбленный готический стиль был в необычайной моде. Получив высочайшее одобрение эскизов прикладных изделий для царского двора, в августе 1847 года он начинает работу над большим проектом здания придворных конюшен в Петергофе в готическом стиле, так называемых Готических конюшен, занимающих одно из центральных мест в его творчестве. Конюшни строились по личному заказу Николая I, благоустраивавшего свою летнюю резиденцию. Царю импонировал в то время стиль готики.
Бенуа проявил себя здесь подлинным мастером архитектурной композиции. Оперируя крупными, цельными объемами, он создал ясное и вместе с тем многообразное пространственное решение. Одной из сильных сторон творчества Бенуа является стремление к наибольшей выразительности композиции, умение методом длительного отбора сохранить в ней лишь главное и добиться окончательной гармонии, удачно избегая при этом монотонности и дробности.
В 1847 году «во уважение отличных дарований искусства и познаний» Бенуа присваивается звание академика, а в 1850 году он был назначен главным архитектором при Петергофском дворцовом правлении и имел теперь отношение ко всему, что строилось в Петергофе, непосредственно следил за строительством и состоянием построек.
В 1854 году подходит к концу строительство придворных конюшен, архитектор «всемилостивейше пожалован» по этому поводу орденом Св. Владимира IV степени и тут же получает от царя новое задание. В непосредственной близости от Большого петергофского дворца, на церковной площадке, он возводит «фрейлинские» корпуса для свиты императорской фамилии – два здания, соединенные воротами в единое целое, выстроенные в стиле Большого петергофского дворца. Бенуа подошел к задаче со всей серьезностью и, будучи прекрасным рисовальщиком, тонко чувствующим стиль, справился с ней прекрасно, органично введя Фрейлинские дома в сложившийся исторический ансамбль.
При постройке третьего крупного здания в Петергофе – железнодорожного вокзала (проект делался в 1854 году по заказу владельца дороги барона Штиглица) – зодчий опять обратился к готическому стилю. Как и придворные конюшни, петергофский вокзал скомпонован смело и гармонично, так же свободно оперировал здесь Бенуа элементами английской готики. Однако законченное в 1858 году здание получилось гораздо скромнее, чем это предусматривалось проектом, что было вызвано финансовыми затруднениями государства после Крымской кампании. Одновременно с вокзалом в Петергофе Бенуа сделал проекты и занимался строительством небольших станций той же железной дороги; в Стрельне (1856), Сергиево (1855—1857) и Красном Селе (1858). Ему также принадлежит здание почты в стиле «готики», проект которой он выполнил в 1850 году совместно с А.К. Кавосом. Видный архитектор, сын итальянского композитора Катарино Кавоса, Альберт Катаринович Кавос, широко известен как строитель императорских театров. В 1848 году Бенуа женился на его дочери Камилле, что способствовало дружеской и творческой связи зодчих.
У Николая Бенуа и Камиллы Кавос (она умерла раньше мужа, в 1891 году) было девять детей. Двое из них, Луиза и Юлий, умерли в раннем возрасте. Трое сыновей Николая Леонтьевича – Альберт, Леонтий и Александр – не только унаследовали художественные способности отца (рисовали и два других сына, Николай и Михаил), но и избрали искусство делом своей жизни. Художественными способностями обладали и дочери – Камилла и Екатерина.
В 1850-е годы Бенуа выполняет еще несколько работ для Петергофа. Госпиталь со службами (1850—1857) решен архитектором в классическом духе с ориентацией на широко распространенное направление «стиля Людовика XVI». В 1856 году Бенуа построил в Петергофе Официантский дом, расположенный в центре города, а в 1861—1868 годах – Верхнесадский министерский дом недалеко от Большого дворца – оба здания в стиле раннего французского классицизма.
В 1851 году Бенуа был назначен в Первый округ путей сообщения, что положило начало его участию в управлении строительной частью Петербурга. В 1852 году Бенуа начал службу в департаменте сельского хозяйства при министерстве государственных имуществ. Это ознаменовалось новым ответственным поручением – построить в Лисинском учебном лесничестве под Петербургом дом «для 40 практикантов Егерского училища» и охотничий дворец для членов царской семьи. Здания начали возводиться в 1852 году и были закончены в начале 1860-х годов. В 1858 году Бенуа там же, в Лисино, закладывает церковь «во имя честного и животворящего креста», вскоре выстроенную.
Не будучи крупными по масштабу, здания в Лисино, образующие своего рода комплекс, – одна из этапных работ Бенуа, в которой формируются новые стороны его творчества. Архитектор делает попытку, отрешившись от работы только в рамках любимых исторических стилей, найти совершенно новые композиционные приемы и связанную с ними образную трактовку сооружений.
В 1857 году архитектор выполняет, наконец, самостоятельную работу в Петербурге – строит католическую церковь Св. Марии на Выборгской стороне. Это была единственная церковная постройка, созданная Бенуа в романском стиле, представляющая интерес, тем более что в ней был похоронен сам архитектор.
В том же году Бенуа получил звание профессора Академии художеств. Тогда же он был прикомандирован к строительной конторе императорского двора и удостоен почетного звания архитектора высочайшего двора.
К 1858 году относится один из лучших проектов жилых домов, выполненных Николаем Леонтьевичем в стиле барокко – фасад дома И.А. Апраксина на Литейном проспекте. Несомненно, будь фасад дома Апраксина сохранен, он служил бы украшением Литейного проспекта.
Находясь на службе в министерстве государственных имуществ, Бенуа плодотворно занимался приспособлением старой подмосковной усадьбы Петровско-Разумовское под Сельскохозяйственную академию. 19 июня 1861 года он вошел в состав комитета, ведающего делами по постройкам в Петровско-Разумовском, а немного позже стал возглавлять всю работу по созданию построек академии.
С 1862 по 1865 год архитектор строит в Петровском главное здание академии – это единственная его постройка в Москве и последнее крупное общественное сооружение, возведенное им в России.
В 1863 году в связи с уходом Кавоса по болезни от дел Бенуа получил почетное назначение главным архитектором императорских театров. Это ознаменовалось серьезной разработкой проекта восстановления сгоревшего театра в Гельсингфорсе (ныне Хельсинки). В 1866 году театр был выстроен почти заново по проекту Бенуа. Это крупное монументальное здание, правда, в значительно измененном виде, находится в центре Хельсинки и функционирует в наши дни.