В последующие годы фон Мольтке по-прежнему возглавлял имперский Генеральный штаб, являясь непререкаемым авторитетом в военной науке. С 1867 г. и до самой своей кончины был членом рейхстага.
Четвертый, младший сын императора Николая I и императрицы Александры Федоровны, великий князь Михаил воспитывался под непосредственным надзором родителей и по традиции семьи Романовых готовился к военной карьере. На 14-м году жизни получил свой первый офицерский чин подпоручика, а спустя два года вступил на действительную военную службу в лейб-гвардии 2-ю артиллерийскую бригаду. В 1852 г. произведен в генерал-майоры с зачислением в свиту императора, назначен бригадным командиром гвардейской конной артиллерии и генерал-фельдцейхмейстером, хотя последнюю должность исполнял лишь формально, поскольку управление делами артиллерии находилось в руках инспектора всей артиллерии барона Н. И. Корфа.
С началом Крымской войны Михаил находился при действующей армии. Отправляя своих сыновей, великих князей Николая и Михаила, в Крым, император сказал: «Если есть опасность, то не моим детям избегать ее!» Оба великих князя получили боевое крещение при Инкермане. Русский главнокомандующий А. С. Менщиков решил нанести главный удар по английскому корпусу на Инкерманских высотах и разрезать союзную армию пополам, введя затем в дело крупные конные силы и сняв тем самым блокаду Севастополя. 24 октября 1854 г. русские войска атаковали позиции союзников, но из-за густого тумана сражение разбилось на ряд отдельных схваток. Подоспевший 2-й французский корпус вынудил русские войска отступить, понеся серьезные потери. За отличие в бою у Инкерманских высот великий князь Михаил 7 ноября был награжден орденом св. Георгия 4-й степени.
С восшествием на престол старшего брата императора, Александра II, Михаил был назначен членом Государственного совета, а 25 января 1856 г. приступил к исполнению обязанностей генерал-фельдцейхмейстера с получением одновременно генерал-адъютантского звания. В эти же годы великий князь принял на себя множество государственных и общественных обязанностей: стал вице-председателем комиссии, учрежденной для улучшения службы и быта военнослужащих; членом комитета об учреждении кавалерийской академии; начальником 2-й легкой гвардейской кавалерийской дивизии, а с 1857 г. — начальником артиллерии отдельного гвардейского корпуса; в 1859 г. — членом комитета для рассмотрения состояния укреплений Балтийского и Черного морей. 9 февраля 1860 г. был назначен на пост главного начальника военно-учебных заведений, а 25 августа произведен в генералы от артиллерии.
С 6 декабря 1862 г. и в течение последующих двух десятков лет Михаил Николаевич был наместником Кавказа и главнокомандующим Кавказской армией. Под его руководством были окончательно покорены Чечня, Дагестан и Западный Кавказ. 15 июня 1864 г. награжден орденом св. Георгия 2-й степени за покорение Западного Кавказа и окончание Кавказской войны. На Кавказе проводил реформы, которые в те годы велись по всей России: освобождение крестьян от крепостной зависимости, реформа крестьянского и народного управления, судебная, административная и военная реформы, улучшение путей сообщения и финансов.
