Принял участие в Русско-японской войне. 13 октября 1904 года назначен инспектором инженеров 2-й Маньчжурской армии. Руководил работами по укреплению правого фланга Шахэйской позиции и правого фланга Сыпингайской позиции, а также Гунчжулинской и Куанчензской позиций. Участвовал в сражении при Сандепу 12—13 января 1905 года и в Мукденском сражении 5—27 февраля того же года, "«за отличия в делах против японцев»" награждён орденом Святого Станислава 1-й степени с мечами. В то же время главнокомандующий  в своём дневнике негативно оценил деятельность Николенко на посту инспектора: