Jego działania wśród szlachty w tej kwestii zostały dostrzeżone przez króla, który na radzie Senatu 2 lutego 1579 roku nadał mu urząd hetmana wielkiego koronnego.
Hetman wielki koronny
Natychmiast po objęciu stanowiska hetmana Mikołaj Mielecki rozpoczął przygotowania do wyprawy wojennej. Po zorganizowaniu wojsk ruszył ze swoją armią na Litwę. Po połączeniu oddziałów hetmańskich i królewskich w Wilnie udał się do Świra, gdzie na tamtejszym zamku brał udział w naradzie wojennej, która zadecydowała o marszu na Połock.
Podczas kampanii połockiej Mikołaj Mielecki był dowódcą prawej kolumny głównej armii, która stanowiła awangardę oddziałów dowodzonych przez króla. Pod Połockiem uczestniczył w oblężeniu twierdzy jako dowódca sił polskich. Po kapitulacji Połocka, która miała miejsce 30 sierpnia 1579 roku, wyprawił się z rozkazu Batorego na Sokół, gdzie stacjonowała armia księcia Fiodora Szeremietiewa. Po przybyciu pod twierdzę w ciągu dwóch dni zdołał pokonać armię rosyjską i wziąć do niewoli jej głównodowodzącego. Szturm armii polskiej na Sokół zakończył się spaleniem miasta, zburzeniem i wymordowaniem załogi twierdzy.