В дальнейшем казна определила, что содержание завода ей обходится слишком дорого. Так, себестоимость выпущенной здесь продукции составляла в 2 раза больше, нежели на уральских заводах, оснащенных огромными домнами. В 1864 году завод был продан на открытых торгах. Так предприятие перешло в руки крупных на то время предпринимателей – братьев Бутиных. Они провели масштабную реконструкцию завода, после которой он превратился в крупное предприятие, которое было оснащено самыми последними образцами техники.
Вторым значимым для предприятия событием становится строительство транссибирской магистрали. Оно получило крупный государственный заказ на изготовление огромных партией рельсов.
Для обеспечения выполнения данного заказа в 1892 году вблизи крупного железорудного месторождения возводится также Лучихинский завод. Он находился на правом берегу Ангары. На предприятии выплавляли чугун, который затем пароходами доставляли на Николаевский завод, где из него производили железо, сталь и другие изделия.
Высокое качество продукции, которую выпускал Николаевский завод в этот период, позволило предприятию завоевать не только российскую, но и международную известность. Но в 1899 году завод столкнулся с кризисом производства, к которому изначально привело неожиданное банкротство Бутиных. Затем посредством железной дороги сюда стал поступать металл из уральских заводов, стоимость которого была намного ниже. Предприятие остановило производство.
Лишь спустя более чем 20 лет была предпринята попытка запустить Лучихинский и Николаевский металлургические заводы. Здесь заново возвели мартеновский цех, и было произведено 55 тыс. пудов руды. Однако предприятия оказались нерентабельным, поэтому в 1924 году Николаевский завод закрыли окончательно. В наше время он погружен в воды водохранилища.