С началом Русско-японской войны 1904-1905 годов профессор Академии Генерального штаба Алексеев назначается генерал-квартирмейстером 3-й Маньчжурской армии. Участвует в Мукденском сражении, разработке ряда военных операций против японцев. На полях Маньчжурии приобрёл большой опыт вождения войск, организации действий пехоты, кавалерии и артиллерии, ведения армейской разведки. За боевые отличия награждается почётным золотым оружием и двумя боевыми орденами.
После расформирования 3-й Маньчжурской армии следует служба в должности обер-квартирмейстера Главного управления Генерального штаба. В 1908 году он назначается начальником штаба Киевского военного округа с производством в генерал-лейтенанты. С 1912 года — командир армейского корпуса. То есть к началу мировой войны Алексеев прошёл хорошую школу командования войсками на самых высоких должностях в мирное время, не считая участия в двух больших войнах против Турции и Японии.
На всех занимаемых постах М.В. Алексеев характеризовался как человек, «всегда бравший на себя львиную долю работы и стремившийся остаться незамеченным». О способностях Алексеева высоко отзывались его сослуживцы. Он автор ряда военно-научных работ по военному искусству. В 1908 году Алексеев был избран почётным членом конференции Императорской военной академии.
В годы Первой мировой войны М.В. Алексеев сформировался как полководец. В августе 1914 года командир армейского корпуса назначается начальником штаба Юго-Западного фронта, в сентябре того же года производится в полные генералы, став генералом от инфантерии (пехоты). Проявил большие способности в разработке фронтовых стратегических операций. Являлся деятельным помощником главнокомандующего фронтом генерала Н.И. Иванова в управлении войсками фронта. В сентябре 1914 года за боевые заслуги был награждён орденом Святого Георгия 4-й степени и стал Георгиевским кавалером.
В марте 1915 года генерал от инфантерии М.В. Алексеев становится главнокомандующим армиями Юго-Западного фронта, а после его разделения в августе того же года — главнокомандующим армиями Западного фронта. После поражения русских войск в Галиции руководил чрезвычайно трудным отходом армий фронта через Польшу и Литву под напором противника и при сильном недостатке артиллерийских снарядов — во время так называемого «снарядного голода».
На посту главнокомандующего армиями Западного фронта разработал и провёл ряд успешных операций против германских и австро-венгерских войск. В июле — августе 1915 года Алексеев в ходе Праснышских операций сорвал настойчивые попытки германских войск окружить и уничтожить русские армии в Польше. Однако по стратегическим соображениям русским войскам оттуда пришлось уйти.
В августе 1915 года М.В. Алексеев императорским указом назначается начальником штаба Ставки Верховного главнокомандующего — Николая II, сменив на этом посту великого князя Николая Николаевича-младшего, действиями которого царь был недоволен. Великий князь не сумел обеспечить достаточно твёрдого стратегического руководства вооружёнными силами России, однако сам император вообще был не способен осуществлять его. Фактически верховное командование сосредоточилось в руках М.В. Алексеева.
Однако неудачи России в начальный период Первой мировой войны объяснялись не столько неумелым руководством её вооружёнными силами, сколько готовностью властей принести в жертву тысячи русских солдат ради того, чтобы спасти от разгрома на Западном фронте союзников, прежде всего Францию. Поэтому многие большие операции проводились без должной подготовки.
Государь-император в силу своего положения занимался больше делами государственного управления, чем военными. Николай II с «лёгкой душой» переложил на плечи своего первого помощника в делах военных стратегическое руководство русской армией на фронтах опасно затянувшейся Первой мировой войны. Между тем внутриполитическое положение в Российской империи, которое, как казалось тогда многим, стабилизировалось со вступлением её в большую войну, неумолимо вело к свержению династии Романовых.
В конце 1915 года под руководством начальника штаба Ставки Алексеева был разработан стратегический план действий русской армии совместно с армиями союзников против стран Центрального блока. Начавшееся в марте 1916 года наступление армий Северного фронта не дало ожидаемых результатов, но боевые действия в районе города Двинска и озера Нарочь оказали громадное влияние на ход войны во Франции. Германия была вынуждена перебросить крупные силы из-под Вердена на Восточный фронт, и французская армия в очередной раз была спасена от поражения.
В 1916 году М.В. Алексееву был пожалован высокий придворный чин генерал-адъютанта.
Начальник штаба Верховного главнокомандующего разработал план наступления Юго-Западного и Северного фронтов в военной кампании 1917 года, однако осуществить его не удалось — во время Февральской революции император Николай II был низложен.
М.В. Алексеев оказался одним из главных организаторов отречения российского монарха. Вместе с командующими фронтами он искренне надеялся тем самым спасти русскую армию от развала и Россию как великое государство — от революционного брожения и анархии. Но исправить стратегическое положение на Восточном фронте инициаторам отречения императора не удалось.
Одновременно с манифестом об отречении государь подписал указ о назначении Верховным главнокомандующим великого князя Николая Николаевича-младшего. С последним императорским указом Временное правительство решительно не согласилось. Военный министр Гучков выдвинул кандидатуру генерала от инфантерии Алексеева. Но против неё по инициативе Н.В. Родзянко высказался Временный комитет Государственной думы и предложил кандидатуру генерала от кавалерии А.А. Брусилова.
Чтобы решить этот неотложный вопрос, Временное правительство запросило по телеграфу мнения 18 генералов русской армии. Из них 13 генералов дали вполне благоприятный отзыв, а 5 хотя и признавали несомненные достоинства М.В. Алексеева, но с разными оговорками. Так мнение военного министра возобладало над мнением Временного комитета Государственной думы, и вопрос о новом руководителе Ставки был решён.
Итоги телеграфного опроса высшего командования русской армии стали лучшим свидетельством личного авторитета М.В. Алексеева.
1 апреля 1917 года Михаил Васильевич Алексеев был назначен Верховным главнокомандующим России. Он сразу же выступил за активные боевые действия против армий Германии и Австро-Венгрии. Это вызвало недовольство новой власти, и прежде всего Советов. В мае Алексеев был смещён со своего поста, а Верховным главнокомандующим был назначен А.А. Брусилов.
Тем временем революционная ситуация в России становилась все острее. Отстранённого от фронтовых дел Алексеева отозвали в Петроград и назначили военным советником Временного правительства. А 30 августа Михаил Васильевич был вновь назначен начальником штаба Верховного главнокомандующего, которым теперь стал А.Ф. Керенский.
Во время так называемого «корниловского мятежа» генерал Алексеев прибыл в Ставку и от имени Временного правительства арестовал там генерала Л.Г. Корнилова и других участников мятежа, а затем отправил их в тюрьму города Быхова. Там они были отданы под надёжную охрану лично преданному Лавру Корнилову Текинскому конному полку и солдатам Георгиевского пехотного батальона, сформированного в своё время для обеспечения безопасности императорской Ставки из солдат-фронтовиков, кавалеров Георгиевского креста.
Таким образом, Корнилов и его ближайшие сподвижники были спасены от революционного суда и возможного самосуда толпы. 11 сентября М.В. Алексеев, окончательно разочаровавшийся в Керенском как главе государства и армии, подал в отставку и тайно начал формировать контрреволюционные офицерские и юнкерские отряды. В них вступали в основном фронтовые офицеры младших званий. Так бывший Верховный главнокомандующий России стал одним из зачинателей белого движения.
После Октябрьской революции 1917 года Алексеев под чужим именем выехал из Петрограда на юг России, в столицу Донского казачьего войска город Новочеркасск. Туда стекались все те, кто готов был с оружием в руках поддержать белое движение. Это были контрреволюционно настроенные фронтовые офицеры, юнкера из военных училищ, студенты, солдаты из ударных частей. Все они были добровольцами, решившими с оружием в руках защищать Россию от красной чумы. И, как ни парадоксально, среди них было совсем немного имущих людей. Здесь, в столице донского казачества, и была создана офицерская организация, ставшая ядром белой Добровольческой армии Л.Г. Корнилова.
