В 1847 г. при Казанской духовной академии был создан Переводческий комитет, в котором Н.И. Ильминский вместе с А.К. Казем-Беком и Г.С. Саблуковым переводил на татарский язык богослужебные книги и фрагменты Священного Писания: Литургию Иоанна Златоуста (1851 г.), Часослов (1852 г.), Евангелие (1855 г.), Апостол (1860 г.), катехизис Филарета (Дроздова), Московского митрополита (1862 г.). Н.И. Ильминский выступал в качестве главного переводчика или редактора. Позже называл эти переводы очень качественными с богословской и филологической точек зрения, но совершенно бесполезными для миссионерской деятельности, т.к. тексты были переведены на книжный татарский язык с большим количеством арабских и персидских заимствований. Этот язык свободно понимало только образованное мусульманское духовенство, рядовым мусульманам переводы были мало понятны, а татары-кряшены, не знавшие арабского алфавита, не могли ими воспользоваться. Работа в Оренбургской пограничной комиссии и пребывание в степи привлекли внимание Н.И. Ильминского к проблемам изучения тюркских языков, казахского фольклора и этнографии. Именно в это время он занялся практической просветительской и миссионерской деятельностью и приобрёл известность как учёный-востоковед. Участвовал в разработке алфавита казахского языка на основе кириллицы, способствовал превращению Киргизской (казахской) школы, существовавшей при Оренбургской пограничной комиссии, в учебное заведение, которое давало хорошее знание русского языка. Н.И. Ильминский считал преждевременной активную миссионерскую деятельность среди казахов, полагая, что, в первую очередь, необходимо ослабить влияние на них татар, особенно мулл, препятствовать «отатариванию» казахского языка, заниматься распространением русского языка и грамоты, воспитанием образованных казахов в светском духе, но без открытой антимусульманской пропаганды. Н.И. Ильминский оставил своим преемником в Оренбурге выдающегося казахского просветителя Ибрая Алтынсарина (вёл с ним переписку, написал воспоминания о нём), сохранял связи с педагогами и чиновниками, работавшими среди казахов (Василием Владимировичем Катаринским, Александром Васильевичем Васильевым и др.), выступал как их наставник и покровитель. В период работы в Казанском университете Н.И. Ильминский публиковал труды по востоковедению, основанные на результатах его командировки на Ближний Восток и пребывания в Киргизской степи: языковедческие сочинения, произведения литературы и фольклора тюркских народов. После отмены крепостного права в 1861–1863 гг. многие крещёные татары отошли от православия, подавали прошения о разрешении перейти в ислам.