Пройдя ряд должностей в штабе Туркестанского военного округа, он принял участие в военно-исследовательских экспедициях в Туркестане, Кашгарии, Персии и Индии, опубликовав статьи об этом; в 1903 году издал книгу «Кашгария, или Восточный Туркестан». В Русско-японской войне участвовал как штабной офицер; получив чин полковника, был переведен в Генеральный штаб. В 1907-1911 годах был военным атташе в Китае.

С началом Первой мировой войны стал командиром пехотной дивизии; отличившись в боях под Львовом, получил чин генерал-лейтенанта. 24 апреля 1915 года в ходе Карпатской операции был тяжело ранен и взят в плен австрийцами. Вылечившись, он в июле 1916 года в форме австрийского солдата бежал из плена и в сентябре стал командиром 25-го армейского корпуса Юго-Западного фронта, который только что завершил знаменитый прорыв вражеского фронта, вошедший в историю под названием «Брусиловского».

После побега из плена имя Корнилова стало известно всей России, а сам он пользовался необычайной популярностью. Ему было присвоено звание генерала от инфантерии, а перед самым отречением от престола Николай II по просьбе М. В. Родзянко (Председателя Государственной думы) – назначил Корнилова командующим Петроградским военным округом.

Оказавшись в Петрограде, Корнилов убедился в том, что вверенный ему округ является самым неблагополучным из всех военных округов России: масса дезертиров, тысячи симулянтов, мародеры и «идейные борцы – пацифисты», не желавшие брать оружие в руки по моральным или партийным соображениям, – вот, чем был тогда Петроградский военный округ. Корнилов увидел, что большевистская агитация – «манна небесная для всех этих негодяев», и, таким образом, большевики стали для него сборищем вражеских агентов, пособниками врагов России.

Вместе с тем он был и противником рухнувшей монархии, арестовав 7 марта 1917 года находившихся в Царском Селе императрицу Александру Федоровну и пятерых ее детей. Его борьба «на два фронта» – и против большевиков, и против правых – привела к тому, что в конце апреля он подал в отставку и отбыл на фронт.

С 7 июля Корнилов стал командующим Юго-Западным фронтом, настаивая на введении на фронте смертной казни и запрещении антивоенной пропаганды. 18 июля Керенский назначил его Верховным Главнокомандующим Русской армией, и Корнилов тут же предоставил в распоряжение Временного правительства программу стабилизации положения в стране. Программа предусматривала восстановление единоначалия в армии, ограничение полномочий комиссаров и солдатских комитетов, введение смертной казни в тылу, запрещение митингов и забастовок, перевод военных заводов, железных дорог и шахт на военное положение.

С этой программой в середине августа он выступил на Московском Государственном Совещании, требуя ее немедленного выполнения.

21 августа немецкие войска заняли Ригу, и Корнилов обратился к Керенскому с предложением поставить во главе страны Совет народной обороны во главе с Верховным Главнокомандующим, добровольно передав ему всю полноту власти. Однако Керенский, как мы уже знаем, предпочел этому союз с большевиками, и 25 августа Корнилов двинул войска на Петроград. Керенский немедленно сместил Корнилова с поста Главнокомандующего и объявил его вне закона.

Между тем войска Корнилова потерпели поражение, а сам он был арестован и заключен в тюрьму города Быхова.

9 ноября 1917 года по приказу генерала Н. Н. Духонина он был освобожден и уехал на Дон, в Новочеркасск, где возглавил работу по созданию Добровольческой армии, ставшей первым соединением будущей Белой армии.