В ходе Русско-японской войны в составе батальона укреплял позиции, устанавливал средства связи, наводил мосты, вел разведку боем. Участвовал в сражении под Мукденом. Награжден орденами и медалями. Войну закончил в чине поручика.

В 1906 году по обвинению в агитации среди солдат ушел с военной службы в запас. Жил во Владивостоке, занимался чертежной работой. В 1907 году вернулся на военную службу, служил во Владивостоке во вновь сформированном крепостном саперном батальоне, где командовал ротой. Осенью 1908 года поступил в Николаевскую военно-инженерную академию в Санкт-Петербурге, которую окончил с отличием в 1911 году. По распределению штабс-капитан Карбышев был направлен в Брест-Литовск на должность командира минной роты. Там он принимал участие в строительстве фортов Брестской крепости. В Первую мировую войну воевал в Карпатах в составе 8-й армии генерала А.А. Брусилова (Юго-Западный фронт). Был дивизионным инженером 78-й и 69-й пехотных дивизий, затем начальником инженерной службы 22-го финляндского стрелкового корпуса. В начале 1915 года участвовал в штурме крепости Перемышль. Был ранен в ногу. За храбрость и отвагу награжден орденом Св. Анны и произведен в подполковники. В 1916 году был участником знаменитого Брусиловского прорыва. В 1917 году — производитель работ по укреплению позиций на границе с Румынией.

В Красной армии с 1918 года. Участник Гражданской войны. В апреле 1918 года Карбышев назначается в Коллегию по обороне страны при Главном военно-техническом управлении РККА. В июле 1918 года — начальником отдельного инженерного управления Северо-Кавказского военного округа. Весной 1919 года — главным руководителем всех оборонительных работ Восточного фронта. Участвовал в строительстве Симбирского, Самарского, Саратовского, Челябинского, Златоустовского, Троицкого, Курганского укрепленных районов; обеспечивал форсирование рек Уфимки и Белой, начало наступления на Сибирь, проектировал оборонительные сооружения Уральска. С января 1920-го — начальник Управления военно-полевых строительств. Руководил работами по восстановлению железнодорожного моста через Иртыш в Омске, укреплял Забайкальский плацдарм. В 1920 году был назначен начальником инженеров 5-й армии Восточного фронта. С октября 1920-го — заместитель начальника инженеров Южного фронта, руководил строительством укреплений на Каховском плацдарме. В ноябре 1920 года руководил инженерным обеспечением штурма Чонгарских укреплений и Перекопа. В 1921–1923 годах — помощник, заместитель, а затем начальник инженеров вооруженных сил Украины и Крыма. В 1923–1926 годах — председатель Инженерного комитета Главного военно-инженерного управления РККА. С 1926 года — преподаватель в Военной академии имени М.В. Фрунзе. В 1929 году был назначен автором проекта «Линий Молотова и Сталина». В феврале 1934-го — начальник кафедры военно-инженерного дела Военной академии Генштаба. 5 декабря 1935 года присвоено звание дивинженер. С 1936-го — помощник начальника кафедры тактики высших соединений по инженерным войскам Военной академии Генерального штаба. В 1938 году окончил Военную академию Генерального штаба. 23 октября 1938 года утвержден в ученом звании профессора. В 1940 году ему присвоено звание генерал-лейтенанта инженерных войск. В 1941 году — ученая степень доктора военных наук. Участник советско-финской войны 1939–1940 годов. В составе группы заместителя начальника Главного военно-инженерного управления по оборонительному строительству вырабатывал рекомендации войскам по инженерному обеспечению прорыва линии Маннергейма.

К слову сказать, Дмитрию Михайловичу Карбышеву принадлежит наиболее полное исследование и разработка вопросов применения разрушений и заграждений. Его вклад в научную разработку вопросов форсирования рек и других водных преград огромен. Он опубликовал более 100 научных трудов по военно-инженерному искусству и военной истории.