Командуя Кронштадтскою эскадрою, которая состояла из двенадцати кораблей, одного фрегата и трех прам, Семён Иванович выступил в море 14 июня 1761 года, и 18 июня, объединившись у Наргена с Ревельскою эскадрою, направил свою эскадру к Кольбергу, под общим командованием вице-адмирала А. Полянского. Блокада крепости со стороны моря продолжалась с 14 августа по 26 сентября: всё это время Мордвинов каждый день находился на бомбардирских кораблях, поставленных против неприятельских батарей. Недостаток в провианте и в дровах заставил флот возвратиться в Кронштадт 14 октября. Несомненно, что флот, хотя и ушёл в базы до завершения осады, сыграл большую роль во взятии Кольберга. В феврале 1762 года император Пётр III определил С. И. Мордвинова в комиссию «для разобрания во флоте служивших флагманов, штаб— и обер-офицеров». Предполагалось, что комиссия разработает широкий план преобразований на флоте. Первой целью стала чистка флота от престарелых офицеров: 16 марта 1762 года комиссией были представлены списки увольняемых и перемещаемых кадров, высочайше утверждённые 30 апреля; 29 марта комиссия представила доклады о новом штате кораблей, об улучшении быта нижних чинов, о переводе адмиралтейства в Кронштадт, об артиллерии и заготовлении корабельных лесов. Высоко оценив заслуги и способности Мордвинова, 10 апреля 1762 года император Пётр III произвёл его в вице-адмиралы. С. И. Мордвинов пришёлся ко двору и пришедшей к власти в результате переворота Екатерине II. 28 июня он ездил в Кронштадт для приведения к присяге морских и сухопутных чинов; 1 сентября вице-адмирал представлял моряков императрице перед её отъездом на коронацию. В дальнейшем старый моряк продолжал работу над улучшениями на флоте. 10 июля 1762 года он предложил императрице доклад, в котором показал преимущества штатов 1732 года и на них основывал новый порядок управления. Именно Мордвинова императрица 18 ноября назначила руководителем новой комиссии по улучшению флота («комиссии российских флотов и адмиралтейского правления»). В 1763 году комиссия подготовила первую часть регламента об управлении адмиралтейств и флотов, содержащую должности Адмиралтейств-коллегии, её экспедиций и всех чинов, находящихся при адмиралтействе. Результаты реформаторской деятельности Семёна Ивановича произвели благостное впечатление на императрицу и 4 мая 1764 года Екатерина II произвела его в адмиралы. При разделе флота на две дивизии 9 марта 1765 года С. И. Мордвинов был назначен командовать 1-й дивизией. В дальнейшем, по случаю отсутствия генерал-адмирала, командующего флотом, Мордвинов осуществлял командование обеими дивизиями. По собственному предложению в последний раз он отправился в море, командуя практической эскадрой, назначенной для обучения молодых офицеров и гардемаринов.
Заботясь об усовершенствовании российского флота, Семён Иванович продолжал управлять Штурманскою ротою в звании адмирала; ввёл в употребление баркасы для линейных кораблей и фрегатов, вместо шлюпок; сформировал в 1769 году четыре морских солдатских батальона; способствовал позволению морским офицерам служить на торговых кораблях.
В 1769 году в Кронштадте осуществлял руководство и надзор за снаряжением эскадр адмиралов Спиридова, Елманова и Эльфинстона предназначенных к отправке в Средиземное море. В значительной мере благодаря усилиям Мордвинова Архипелагская экспедиция началась успешно.
В 1770 году из-за болезни адмирал Мордвинов практически прекратил работу в Адмиралтейств-коллегии; 13 февраля 1777 года он подал прошение об отставке; 21 февраля 1777 года был уволен со всех должностей с награждением двумя деревнями в Полоцкой губернии; 6 марта последовал указ Сената. Сменил Мордвинова в должности вице-президента Адмиралтейств-коллегии граф Чернышёв. Морскую службу продолжили сыновья. 14 июня 1770 года Александра пожаловали генеральс-адъютантом, Николая — адъютантом к отцу. В августе они ходили в Ревель для встречи прусского принца Генриха. 31 марта 1771 года Николай был назначен генеральс-адъютантом адмирала Ноульса и отправился с ним на Дунай. Они и позднее оставались на флоте, а Николай Семенович стал адмиралом и видным деятелем России.
Записки внучки Семёна Ивановича Мордвинова