С энтузиазмом вернулся С. И. Мосин к работе над магазинной винтовкой, поглощавшей все его мысли. Он получил освобождение от остальных служебных обязанностей и целиком отдал себя любимому делу. Сроки для работы были даны короткие: с перевооружением нужно было спешить. В распоряжении С. И. Мосина была мастерская с несовершенным, кустарным оборудованием. Несмотря на это, он справился со своей задачей, и уже в феврале 1890 года представил в комиссию образен своей винтовки, почти одновременно с Наганом, переработавшим свой образец.

Несовершенство технического оборудования мастерской сказалось на качестве изготовленного образца, что привело к обнаружению ряда дефектов при испытаниях. Тем не менее С. И. Мосин продолжает совершенствовать свою винтовку, и на всех испытаниях в 1890 и 1891 годах его винтовка успешно конкурирует с образцами Нагана. На окончательных сравнительных испытаниях винтовки Мосина и винтовки Нагана в марте 1891 г. было выявлено, что обе винтовки приблизительно равноценны по меткости боя и скорострельности, но при стрельбе из винтовки Нагана был получен несколько меньший процент случаев неисправностей механизмов винтовки.

Поэтому при голосовании в комиссии, испытывавшей винтовки, за принятие винтовки Нагана высказалось 14 человек, а за винтовку Мосина было подано 10 голосов.

Между тем обнаруженные неисправности в работе винтовки объяснялись не сущностью ее конструкции, а спешкой и низким качеством ее изготовления. Наоборот, внимательный анализ выявлял конструктивные преимущества винтовки Мосина и возможность легкого устранения причин замеченных неисправностей путем не принципиального изменения конструкции, а путем незначительного упрочения второстепенных деталей, не изменявшего конструкции. В конструкции С. И. Мосина особенно следовало отметить технически остроумное решение задачи о подаче патронов из магазина путем введения особой детали механизма — отсечки — отражателя. К удачному решению этого вопроса Нагану удалось прийти только в последних образцах винтовок, тогда как С. И. Мосиным он был решен сразу.

Поэтому совершенно прав оказался инспектор оружейных и патронных заводов генерал Бестужев — Рюмин, который указывал на большую простоту винтовки С. И. Мосина для освоения ее отечественной промышленностью и обратил внимание на то, что винтовка С. И. Мосина будет обходиться дешевле, чем винтовка Нагана, а армия может быть ею вооружена раньше. Отечественная оружейная промышленность получила заказ на изготовление этих винтовок для русской армии.

16 апреля 1891 года был утвержден образец винтовки, принятый на вооружение. Образец этот в основе имел винтовку С. И. Мосина, но с изменениями, указанными комиссией. Так как было найдено, что в некоторых деталях устройства винтов — ки были отражены предложения Нагана, а также введены были изменения, высказанные членами комиссии, то было принято решение винтовку не называть именем С. И. Мосина, а дать ей наименование «русской трехлинейной винтовки образца 1891 года».

Таким образом была нарушена традиция присваивать наименование образцу оружия по имени его конструктора. С. И. Мосин, видимо, чувствовал себя глубоко обиженным таким решением, ибо в своих записках с полным основанием писал, что все главные части и механизмы винтовки разработаны бесспорно им, а эти части определяют и систему в целом. С. И. Мосину было разрешено получить патент на ряд деталей винтовки, однако он отказался (Наган взял патент на те детали, которые были признаны заимствованными из его конструкций, и получил за право их использования от русского правительства 200 000 рублей). За свою работу С. И. Мосин получил чин полковника.

В 1894 году С. И. Мосин был назначен на должность начальника Сестрорецкого оружейного завода. Под его руководством завод был технически переоборудован и расширен.