В 1889 году в России стало известно о появлении в Германии «магазинки», заряжаемой пачками по 5 патронов. Времени на ввод пачки в приемник требовалось столько же, сколько и на заряжание однозарядного оружия. В этой системе заключалось основное достижение в конструкции магазинного оружия. Теперь был устранен главный недостаток магазинных винтовок — медленное заряжание и как следствие этого — требование использовать запас патронов только в самый необходимый момент.
В конце 1889 года бельгийский фабрикант Леон Наган предложил России свой последний образец 3,15-линейной магазинной винтовки, заряжаемой из обоймы. Она отличалась легкостью, удобством в обращении, простотой устройства ускорителя. Однако проведенные испытания обнаружили, что магазинный механизм бельгийской винтовки действует неисправно. Комиссия указала Нагану на серьезный дефект и, кроме того, рекомендовала переделать систему под трехлинейный патрон, обеспечив сцепление затвора со ствольной коробкой при помощи отдельной боевой личинки.
Одновременно с Наганом над выработкой приемлемого образца винтовки трудились капитаны Мосин и Захаров, принимавшие непосредственное участие в работе комиссии. Они поставили перед собой задачу заново спроектировать удобный и прочный затвор, усовершенствовать механизм магазина. Мосин принялся за дело с энтузиазмом. В маленькой полукустарной мастерской стрельбища ораниенбаумской офицерской школы, он без устали работал почти четыре месяца.
В феврале 1890 года Сергей Иванович представил на суд комиссии оригинальную трехлинейку. Затвор в ней был особой конструкции. Он имел боевую личинку, имеющую симметричные выступы и свободно разбирался без помощи отвертки. Магазин представлял собой трапециевидную металлическую приставку с открывающейся вниз дверцей и прикрепленным к ней подающим механизмом. Заряжался он при помощи пластинчатой обоймы. Совершенно новой деталью в мосинской системе был отсечко-отражатель, крепившийся к ствольной коробке. Эта находка позволила конструктору решить проблему четкой и надежной подачи патронов в заряжаемом из обоймы однорядном магазине, над чем безуспешно бились зарубежные оружейники.
Созданная С.И. Мосиным система явилась прообразом знаменитой трехлинейки, которая впоследствии была принята на вооружение нашей армии. В ней имелось три новых элемента: механизм самой винтовки, способ заряжания с новой обоймой, новый патрон с новой баллистикой. По мнению специалистов, по своим конструктивным качествам она стояла выше современных ей иностранных образцов.
Испытания мосинской винтовки дали положительные результаты. В целом его трехлинейка удовлетворяла высокие требования комиссии. Правда, обнаружились еще некоторые конструктивные недоработки, технические шероховатости на которые указала комиссия. Мосин устраняет их, упорно продолжая совершенствовать свое творение. Наган также не терял времени зря. Узнав об отсечко-отражателе русского оружейника, бельгиец через пять с половиной месяцев вводит подобную деталь в свое ружье. В течение 1890 года шли параллельные испытания двух систем: С.И. Мосина и Нагана. Обе оценивались примерно одинаково, и обе претендовали быть принятыми на вооружение.
Окончательная сравнительная войсковая проверка этих ружей длилась с декабря 1890 по 18 марта 1891 года. Тульский завод полностью выполнил заказ, изготовив 300 винтовок Мосина. Из-за спешки они были недостаточно хорошо отлажены. Наган же, нарушив контракт, представил только 100 экземпляров. Зато все они отличались безукоризненным производственным исполнением. Испытания дали почти одинаковые результаты по меткости и скорострельности. Но у нагановских образцов было зафиксировано меньшее количество поломок и задержек. Поэтому, хотя конструктивное решение системы Мосина являлось и лучшим, войска высказались за винтовку Нагана. Их мнение оказало влияние на многих членов комиссии. Однако после детального рассмотрения этого вопроса, учитывая дешевизну и удобство производства ружья Мосина, комиссия все же решила его в пользу Мосина.

20 марта 1891 года на заседании Оружейного отдела Артиллерийского комитета было признано, что ружье Нагана по сравнению с конструкцией Мосина более сложно в производстве. Инспектор оружейных и патронных заводов генерал Бестужев-Рюмин отдал предпочтение образцу Мосина. Более решительно выступил в защиту достоинств русской техники и нашего конструктора авторитетный специалист оружейного дела, профессор артиллерийской академии генерал-лейтенант Чебышев. Принимая во внимание не отделку и отладку отдельных образцов оружия, а практичность и надежность конструкции в целом, он заявил: «Система капитана Мосина обладает громадными преимуществами перед системою Нагана».
После окончательных доделок, выполненных Мосиным при помощи штабс-капитана Залюбовского, две винтовки были переделаны под обоймы Нагана, а одна — под мосинскую пластинчатую обойму. 13 апреля военный министр представил царю доклад «Об утверждении образца пачечного трехлинейного ружья, предложенного капитаном Мосиным». В нем было указано, что система русского конструктора во многих отношениях предпочтительнее иностранной системы Нагана — как по более простой конструкции и дешевизне производства, так и по тому, что российские оружейные заводы смогут быстрее освоить ее в валовом производстве.
Этим самым признавалось, что русский конструктор С. И. Мосин в творческом соревновании с именитыми иностранными оружейниками добился выдающейся победы, создав самый совершенный, на тот момент, образец стрелкового оружия. Это засвидетельствовали и американцы. Их военный атташе в России лейтенант кавалерии Генри Аллен обратился к Мосину с письмом, в котором предлагал русскому конструктору передать его изобретение США. Разумеется, за соответствующее вознаграждение. Но Мосин даже не ответил ему.