Тем не менее после начала «мятежа» именно Алексеев, еще в мае абсолютно не устраивавший Временное правительство, был снова призван на высокую должность. Днем 31 августа, одновременно с тем, как А.Ф. Керенский назначил Верховным главнокомандующим русской армией самого себя, Алексеев стал начальником его штаба, то есть вновь занял пост, который занимал в августе 1915-го — марте 1917 года. При этом Михаил Васильевич поставил Керенскому условие: должность он примет только в том случае, если все предлагаемые Корниловым меры будут проведены в жизнь. Именно Алексееву была доверена миссия ареста Корнилова и чинов его штаба. 1 сентября около 22.00 в Могилёве Алексеев именем Керенского арестовал Корнилова, начальника его штаба Лукомского и еще двух офицеров Ставки. Попутно Алексеев предотвратил вооруженное столкновение между «корниловцами» и выдвигавшимся из Орши на Могилёв карательным отрядом полковника Короткова.

Сам Корнилов оценил действия Алексеева резко, бросив ему в лицо слова о «грани между честью и бесчестием». Михаил Васильевич также пришел после личного общения с Лавром Георгиевичем к окончательному выводу о том, что Корнилов — «опасный сумасброд, человек неуравновешенный и непригодный на первые роли». Но, считая так, Алексеев сделал все возможное для того, чтобы спасти Корнилова. Его арест имел в глазах Алексеева тайную для Временного правительства и вряд ли осознанную самим Корниловым цель — уберечь «мятежного» Главковерха и многих его соратников от самосуда обезумевшей толпы и тем самым сохранить их для будущего. С этой целью Алексеев поручил личную охрану арестованных Текинскому конному полку, офицеры и солдаты которого были безраздельно преданы Корнилову. Кроме того, Алексеев настоял на том, чтобы дело Корнилова и его соратников не попало под юрисдикцию военно-революционного трибунала.

«Россия не имеет права допустить готовящегося в самом скором времени преступления в отношении ее лучших, доблестных сынов и искусных генералов, — писал Алексеев. — Корнилов не покушался на государственный строй, он стремился при содействии некоторых членов правительства изменить состав последнего, подобрать людей честных, деятельных и энергичных. Это не измена родине, не мятеж».

11 сентября, сразу же после выполнения тяжелой миссии, Михаил Васильевич подал в отставку с поста начальника штаба Верховного главнокомандующего. В своем рапорте на имя Керенского он написал: «Страдая душой, вследствие отсутствия власти сильной и деятельной, вследствие происходящих отсюда несчастий России, я сочувствую идее генерала Корнилова и не могу пока отдать свои силы на выполнение должности начальника штаба». По его рекомендации эту должность занял генерал-лейтенант Николай Николаевич Духонин, которого Алексеев хорошо знал по штабу Киевского военного округа. А поскольку новый Верховный главнокомандующий А.Ф. Керенский находился в Петрограде, управление действующей армией легло именно на плечи Духонина, который поддерживал с Алексеевым постоянную связь и информировал его обо всем происходившем в Ставке…

После тяжелого для Алексеева рубежа лета—осени 1917-го старый генерал вновь вернулся к семье в Смоленск. 12 октября 1917 года в Москве на втором заседании Совета общественных деятелей он был избран заместителем его председателя, одновременно Алексеев вошел в число членов Совета Республики (Предпарламента). К этому времени Михаил Васильевич окончательно определился в своем отрицательном отношении к политике Временного правительства и пришел к выводу о необходимости активной борьбы с ним. Однако еще больше его страшила возможность захвата власти в стране партией большевиков, стоявшей на открыто пораженческих позициях: «Я стар, но если произойдет это позорное дело, я выйду на улицу, соберу последние старческие силы, кликну клич: “Люди Русские, спасайте Родину!” И я знаю, на мой призыв отзовется все русское офицерство, и во главе с ним я погибну, но не переживу великого позора».