Во второй Ахалтекинской экспедиции Н.И. Гродеков был правой рукой Скобелева, выполнял самые трудные задачи, участвовал в сложных операциях.
21 ноября 1880 г. российские войска приступили к осаде крепости Геок-тепе. Число защитников его, по разным сведениям, доходило от 20 до 45 тысяч человек. 12 января 1881 г., после отчаянного сопротивления, Геок-тепе был взят штурмом.
Продвигаясь дальше, русские войска не встретили сопротивления и без единого выстрела дошли до Люфтабада, где М.Д. Скобелев и написал письмо Н.И. Гродекову. 27 марта Скобелеву сдался Тыкма-сердарь — бывший главный защитник Геок-Тепе и самое влиятельное лицо во вновь покорённом крае. Тогда Скобелев объявил Туркменскую войну оконченной.
За победу в этом походе М.Д. Скобелев был произведён в генералы от инфантерии и награждён орденом Св. Георгия 2-й степени. Н.И. Гродеков получил звание генерал-майора и орден св. Георгия 4-й степени.
У Н.И. Гродекова существовал обширный личный архив. В него входили документы и материалы, связанные с военной и административной службой, в том числе и в Средней Азии. Этот архив он
передал московскому музею «Российские древности», созданному П.И. Щукиным.
Щукин особо выделял и ценил в нём среднеазиатские материалы. В воспоминаниях коллекционер писал:
