По прибытии на Амур генерал-губернатор узнал, что англо-французская эскадра высадила десант в Де-Кастри, но русских там не застала. Союзники, разграбив всё, что можно, удалились. Муравьёв был крайне возмущён тем, что казаки и артиллеристы, находившиеся в соседнем Мариинском посту, предпочли отсидеться, а не вступить в схватку пусть даже с многократно превосходившим противником.
Обладая соответствующими правами в военное время, генерал-губернатор приказал арестовать их начальника, казачьего офицера Алексея Константиновича Имберга, и расстрелять его. Для есаула уже готовили могилу, разогревали кострами землю. Спасла офицера Екатерина Николаевна, которая уговорила мужа не делать этого. Казаков снова отправили в Де-Кастри искупать свою вину в случае появления там неприятеля, назначив им командиром сопровождавшего Муравьёвых казачьего офицера Гавриила Дмитриевича Скобельцына.
В Мариинском посту состоялись переговоры Муравьёва с китайскими представителями. Когда пришло время возвращаться в Иркутск, Екатерина Николаевна подарила Скобельцыну на память золотую цепочку и велела передать для солдат всех домашних животных, находившихся в её хозяйстве, в том числе и хрюкающий подарок амбаня.
Когда происходила торжественная встреча Муравьёва с защитниками Петропавловска, среди героев находился и несчастный десятилетний мальчик-кантонист, которому во время боя осколком оторвало правую руку. Никакого пособия от правительства, несмотря на ходатайство Василия Степановича Завойко, ребёнок не получил. Жена губернатора взяла его под свою опеку, дала денег, помогла семье мальчика.
Возвращаться по Амуру было нельзя, река могла начать покрываться льдом. На американском парусном барке «Пальметто» за двадцать суток добрались до Аяна, а затем по печально знакомому тракту выехали в Иркутск.
Возвращаясь, Муравьёв взял с собой некоторых участников кругосветного плавания на фрегате «Паллада», в том числе и уже известного своими романами Ивана Александровича Гончарова. Писатель вспоминал, что жена генерал-губернатора «отличалась гуманностью, добротой и простотой. Она избегала пользоваться его выдающимся положением в Сибири и со своей стороны не заявляла никаких претензий на исключительное внимание подвластных мужу лиц».
Екатерина Николаевна очень боялась коров, которые бродили по улицам Иркутска. Гончаров рассказал ей, что якутского губернатора, с которым он успел познакомиться, сопровождают два казака с пиками, чтобы охранять его от бродячих собак. Екатерина Николаевна возразила, что «предпочитает вовсе не ходить по улицам, чем лично для себя пользоваться услугами солдат и других лиц, зависящих от её мужа».
Многомесячные поездки в тяжелейших условиях не прошли бесследно ни для здоровья Екатерины Николаевны, ни для её мужа. Она уезжала лечиться во Францию, а Николай Николаевич ещё трижды, уже без неё, совершил плавание по Амуру, осмотрел береговую линию Приморья. Он дал названия будущим городам Владивостоку и Находке. На судах Сибирской флотилии Муравьёв побывал в Китае и Японии, едва не погиб на фрегате «Аскольд» во время урагана особенной силы. Из последней поездки он вернулся по покрытому льдом Амуру на собачьей упряжке. Николай Николаевич заключил в 1858 году основополагающий Айгунский договор с Китаем, по которому к России отошли территории по рекам Амур и Уссури. Екатерина Николаевна присутствовала при этом знаменательном событии и тоже внесла свой, конечно, официально не отмеченный, вклад в подготовку подписания договора.
Два ближайших сподвижника Муравьёва, Невельской и Завойко, уехали в Петербург сразу же после окончания Восточной войны. Муравьёв продолжал служить в Сибири ещё пять лет после их отъезда. За исключительные заслуги перед отечеством его возвели в графское достоинство с наименованием графом Муравьёвым-Амурским, наградили высшими орденами империи, произвели в генералы от инфантерии. В 1861 году он подал прошение об отставке с поста генерал-губернатора. Его назначили членом Государственного совета и разрешили жить за границей.
Муравьёвы уехали в Париж, где весьма скромно прожили двадцать лет. По воспоминаниям современников, Николай Николаевич любил Францию, но только республиканскую. Он терпеть не мог аристократов, да и вообще людей, кичившихся богатством или родовитостью. Недолюбливал он и англоманов, к которым относил адмирала Ефима Васильевича Путятина. Тот был женат на англичанке и слыл приверженцем английских порядков.
Екатерина Николаевна всегда хранила любовь к своему второму отечеству и сердечно привечала русских в своём доме, особенно бывших амурцев. Николай Николаевич настолько близко принимал к сердцу всё, касающееся Амура, что никогда не простил Воину Андреевичу Римскому-Корсакову, к которому относился очень уважительно, довольно безобидные слова из рапорта. Тот, уже командуя не шхуной «Восток», а корветом «Оливуца», написал в донесении, что на обратном пути с Амура в Кронштадт, устроив из парусов баню, он первый выпарился в ней, смыв с себя амурскую грязь.
Николай Николаевич скончался 18 ноября 1881 года. Его отпевали в русской церкви и похоронили на Монматре в семейном склепе семьи де Ришмон. Когда о смерти Муравьёва узнали в Кронштадте, моряки в воскресенье 22 ноября, без всяких начальственных указаний, собрались в кронштадтском Морском соборе на панихиду по бывшему генерал-губернатору Восточной Сибири. Проводить графа в последний путь пришли все русские, жившие в то время в Париже. Кому могло прийти в голову, что этот путь не последний?