2 марта 1868 г. следует новое назначение – виленским генерал-губернатором и командующим войсками Виленского военного округа. Эту должность Потапов занимал до июля 1874 г. и в короткий срок добился смещения с важнейших административных постов сторонников репрессивной политики своего предшественника Муравьева. Когда император решает избавиться от опеки «Петра IV» – П.А. Шувалова, то на его место 22 июля 1874 г. назначает Потапова, учитывая как его опыт работы в Третьем отделении и полиции обеих столиц, так и успешно завершенное дело Чернышевского.

От своего предшественника Потапову досталось большое количество арестованных участников «хождения в народ». Наученные неудачным опытом суда над участниками нечаевского общества, жандармы и следователи вели расследование чрезвычайно осторожно, в силу чего дело пропагандистов продвигалось крайне медленно. 267 молодых революционеров, которых следствие привлекло по этому делу, в ожидании суда провели в предварительном заключении целых три года. За этот срок многие из обвиняемых умерли или сошли с ума, в итоге перед судом предстали 193 человека, трое из которых скончались во время процесса. Это обстоятельство широко комментировалось в отечественной и зарубежной прессе, часть которой прямо обвиняла правительство в намерении уморить своих политических противников в тюрьме без суда. Тем не менее ореол мученичества за правое дело оказался весьма притягателен, и в 1874 г. новые массы студенчества устремились «в народ». Для выработки мер, способных уменьшить влияние революционной пропаганды, в декабре 1874 г. было образовано Совещание начальника Третьего отделения и семи министров, однако никаких кардинальных решений оно предложить не смогло.

Понимая, что все-таки надо что-то делать, Потапов 14 февраля 1875 г. разослал начальникам губернских жандармских управлений секретный циркуляр № 17. По сути, это была новая инструкция «по наблюдательной части», содержавшая «общие разъяснения по этому предмету». Циркуляр содержал требования к чинам жандармерии наблюдать «за духом всего населения и за направлением политических идей общества», раскрывать и преследовать любые попытки «к распространению вредных учений, клонящихся к колебанию коренных основ государственной, общественной и семейной жизни». В силу этого объектами постоянного жандармского наблюдения должны были стать «школы, публичные лекции и чтения для народа, дабы верно знать их направление и иметь возможность всегда указать вредных деятелей на этом поприще»; «книжная торговля, особенно вразнос, кабинеты для чтения и вообще все подобного рода заведения, имеющие возможность сбыта книг преступного или вредного содержания», и «лица, путешествующие для собирания разных сведений с научной целью, которой можно иногда прикрывать другую, преступную цель».

Усиление надзора дало некоторые результаты. Осенью 1875 г. в Москве была раскрыта «Всероссийская социально-революционная организация», ставившая целью революционную пропаганду среди рабочих крупных центров европейской части империи. 50 членов этой подпольной организации были схвачены жандармами, и впервые среди арестованных значительное число составили рабочие (14 человек) и женщины (16 человек). На состоявшемся в феврале–марте 1877 г. судебном процессе («Процессе пятидесяти») оправдано было только 3 человека, в сибирскую ссылку было отправлено 26 человек, на каторгу – 10, еще 10 приговорены к тюремному заключению и один – к заключению в смирительном доме. Однако праздновать заслуженный триумф главе Третьего отделения не довелось – еще до начала процесса у него открылось «разжижение мозга», перешедшее вскоре в «буйное помешательство», и 30 декабря 1876 г. Потапов был уволен от должности в связи с явно выраженным «умственным расстройством». За время своего пребывания на посту шефа жандармов и главного начальника Третьего отделения он по занимаемой должности стал членом Государственного совета, был произведен в чин генерала от кавалерии. Был награжден орденами Св. Владимира 4-й и 2-й степеней, Св. Анны 1-й степени, Св. Александра Невского, австрийскими орденами.