После завершения всех дел, связанных со строительством Кротовско-Сергиевской железной дороги (введена в эксплуатацию 16 августа 1897 г.), Михайловский задумал совершить «для отдохновения» кругосветное путешествие. Однако в последний момент он получил от Петербургского географического общества предложение присоединиться к северокорейской экспедиции А. И. Звегинцева.
Корея в XIX в. географически изучалась очень слабо, а северная её часть, пограничная с Маньчжурией, долгое время вообще была недоступна для европейских исследователей. Начиная с XVII века вся пограничная полоса, с целью прекращения сношений иностранцев с корейским населением и для защиты от проникновения чужестранцев в пределы корейского государства, была умышленно оставлена безлюдной и охранялась системой крепостей и кордонов. Почти до самого конца XIX в. (точнее, до русской экспедиции Стрельбицкого 1895-1896 гг.) даже о вулкане Пектусан, высочайшей горе этой части Восточной Азии, существовали лишь легендарные сведения. Отсутствовали достоверные сведения об истоках, направлении течения и режиме трёх крупнейших рек этой территории — Туманганга, Амнокганга и Сунгари.
Экспедиция Звегинцева имела своей главной задачей исследование сухопутных и водных путей сообщения вдоль северной границы Кореи и далее, по восточному побережью Ляодунского полуострова, до Порт-Артура. Михайловский согласился принять участие в экспедиции Звегинцева, которая стала для него составной частью кругосветного путешествия.
Для работы в Северокорейской экспедиции Михайловский пригласил людей, известных ему по работе инженера-изыскателя: молодого техника Н. Е. Борминского и опытного десятника И. А. Пичникова.
9 июля 1898 г. Михайловский и его спутники прибыли с петербургским курьерским поездом в Москву и в тот же день с прямым сибирским поездом выехали из Москвы. В то время ещё продолжалось строительство Транссибирской магистрали. Были построены и введены в эксплуатацию участки от Москвы до Иркутска и от Владивостока до Хабаровска. Однако не были ещё построены средние звенья пути между Иркутском и Хабаровском: Кругобайкальская линия от Иркутска до Мысовой, на восточном берегу озера Байкал; Забайкальская линия от Мысовой до Сретенска; Амурская линия от Сретенска до Хабаровска. На этом отрезке пути Михайловскому и его спутникам пришлось испытать на себе ненадежность сообщений на лошадях и по воде. Путь от Москвы до Иркутска, протяжением более 5 тыс. км, занял 12 дней, участок же от Иркутска до Хабаровска длиной около 3,5 тыс. км, пройденный на лошадях и по воде, занял ровно месяц. Путешественники постоянно сталкивались с недостатком казенных лошадей для перевозки пассажиров и грузов, почтовые станции были не в состоянии «удовлетворить и третьей части предъявляемых к ним требований». Плата за наем «вольных» лошадей достигала баснословной цены: 10-15 рублей за прогон в 20 верст, т. е. в 50 с лишним раз дороже стоимости проезда по железной дороге. Между Сретенском и Хабаровском было пароходное сообщение, но из 16 дней, затраченных путешественниками на путь по Шилке и Амуру, около половины было проведено в стоянии на мелях и в ожиданиях при пересадках. В результате весь путь от Петербурга до Владивостока занял 52 дня (8 июля – 29 августа 1898 г.) и обошелся, при всех лишениях путешественников, почти в тысячу рублей на человека, т. е. был более долгим, да ещё и в два раза дороже, чем если бы ехать во Владивосток кружным путём по морю.
Последние месяцы
В сентябре 1906 г., вернувшись из Маньчжурии, Михайловский обосновался в Петербурге. Активно участвовал в литературной и общественной жизни столицы. Входил в редакцию большевистского журнала «Вестник жизни», в котором сотрудничал вместе с А.В. Луначарским, В.В. Воровским, В.Д. Бонч-Бруевичем. Скоропостижно скончался 10 (27) декабря 1906 г. от паралича сердца во время заседания редакции, где в тот день читался и обсуждался его драматический этюд «Подростки».
Похоронен на Литераторских мостках Волкова кладбища.
Инженерно-строительная деятельность
В 1891 Гарин-Михайловский руководил изыскательской партией, выбиравшей место для строительства железнодорожного моста через Обь для Транссибирской магистрали, и именно он отклонил вариант возведения этого сооружения в районе Томска. Это решение впоследствии привело к выбору участка на территории будущего Новосибирска и сыграло важную роль не только в развитии города, но и в его создании.
Существует легенда, что на одном из участков строительства железной дороги инженеры столкнулись со следующей проблемой: необходимо было обогнуть крупный холм или утёс, выбрав для этого наиболее короткую траекторию (ведь стоимость каждого метра железной дороги была очень высокой). Гарин-Михайловский потратил день на размышления и затем дал указания прокладывать дорогу вдоль одного из подножий холма. Когда его спросили, чем обусловлен выбор, Гарин-Михайловский ответил, что весь день наблюдал за птицами — вернее, за тем, какой дорогой они облетали холм. Он посчитал, что они летят более коротким путем, экономя усилия, и решил воспользоваться их маршрутом. Впоследствии точные расчеты, основанные на космической съёмке, показали, что решение Гарина-Михайловского, принятое по наблюдению за птицами, было верным.
Весной 1903 года в Кастрополь прибыла изыскательная партия, возглавляемая Н. Г. Гариным-Михайловским, по строительству южнобережной электрической железной дороги связывавшей бы Ялту с Севастополем. За 8 месяцев были рассмотрены 22 варианта трассы, но смерть Гарина-Михайловского помешала постройке дороги. Его изыскания были использованы при строительстве междугородной троллейбусной трассы Симферополь-Алушта-Ялта.