Введение в 1864 г. военно–окружной системы положило начало реорганизации системы центрального военного управления с распространением его прямого влияния на войска, дислоцированные на территории обширной империи. При этом было обеспечено оперативное руководство войсками из центра, их самостоятельность на местах и быстрое развертывание армии в случае войны.
Наряду с организационными вопросами реформирования армии Д. А. Милютин занимался и вопросами ее технического перевооружения. Армия переходила от гладкоствольного к нарезному стрелковому оружию. В 1868 г. на вооружение пехоты, кавалерии и казачьих войск стала поступать винтовка системы Бердана, а затем — системы Крнка и Карле. В 1867 г. в артиллерии появились первые нарезные орудия, заряжаемые с казны. Чугунные и бронзовые орудия заменялись на стальные. Д. А. Милютин неоднократно посещал заводы, выпускающие предметы вооружения и был твердым сторонником развития отечественной военной промышленности вместо закупок за рубежом. Однако, несмотря на все его усилия, значительных изменений в обеспечении армии артиллерийскими системами не произошло, и к началу войны 1877–1878 г. русская полевая артиллерия еще значительно отставала от зарубежной.
В 1863 г. было утверждено «Положение о сохранении воинской дисциплины и наказаниях дисциплинарных», которое устанавливало порядок наложения дисциплинарных взысканий и определяло границы их применения начальствующими лицами. Впервые в русской армии были введены «Дисциплинарный устав» (1869) и новый устав «Внутренней службы» (1877). Дисциплинарная практика стала соответствовать правовым нормам гражданских буржуазных законов, вызванных к жизни судебной реформой в стране. Были введены офицерские суды чести и офицерские собрания.
От системы снабжения, при которой провиантские и комиссариатские департаменты были рассадниками злоупотреблений, армию перевели на снабжение Главным интендантским управлением, и резко сократили число чиновников. Были созданы неприкосновенные запасы на всех уровнях снабжения. Архаичная система хозяйства полка — боевой единицы русской армии, при которой командир полка единолично и безотчетно распоряжался расходованием полковых сумм, была заменена системой траты средств только на основании составленной предварительно сметы. Согласно закону, контроль хозяйственной деятельности осуществляли провиантские комиссии и выборные хозяйственные комитеты. Д. А. Милютин писал: «С этого времени полковые командиры перестали смотреть на хозяйство полка, как на собственное, свое личное хозяйство». Это позволило увеличить размер солдатского пайка, оклады строевых офицеров, для улучшения их финансового положения были введены офицерские заемные капиталы и военно–эмеритальная касса.
По случаю введения всесословной воинской повинности Александр II направил военному министру именной рескрипт, в котором писал: «Тяжелейшими трудами Вашими в том деле и просвещенным на него взглядом Вы оказали государству услугу, которую ставлю себе в особое удовольствие засвидетельствовать и за которую выражаю Вам мою истинную душевную признательность. Закон, мною утвержденный и ныне обнародованный, да будет — при Вашем содействии приводиться в исполнение в том же духе, в каком он составлен». Благодарность императора и слова, обращенные им к Д. А. Милютину, могут быть распространены на всю его реформаторскую деятельность.
Известно, что военное строительство государства тесным образом связано с его внутренней и внешней политикой. Поэтому в вопросах, внутренней политики военный министр был сторонником буржуазных реформ. Так при обсуждении закона о печати в 1865 г., он был противником сосредоточения власти над прессой в одних руках — Министерства внутренних дел. Он выступал против проекта министра просвещения Д. А. Толстого, стремившегося «под наружной оболочкой педагогической системы» сделать гимназическое образование привилегией дворянства. Либерализм Д. А. Милютина в вопросах образования ярко проявился в создании военных гимназий, прогимназий, юнкерских училищ и женского образования. В 1872 г. он отдал приказ об учреждении при Медико–хирургической академии первых в России «Курсов для образования ученых акушерок», которые с 1876 г. стали называться «Высшими женскими врачебными курсами». Милютин был противником различного рода мер полицейского характера при решении вопросов стабилизации внутреннего положения в стране. Он выступал против усиления власти губернаторов над местными органами самоуправления и распространения ее на судебную власть, как предлагал министр внутренних дел А. Е. Тимашев. Он справедливо считал, что ужесточение полицейских мер в виде тотальной административной высылки «неблагонадежных», не сделают их благонадежнее.