Уроки неудачной войны заставили имперское руководство реформировать всё военное строительство в стране. Участвовал в этом и вдумчивый Алексеев. Вместе с начальником Генштаба генералом от инфантерии Ф.Ф. Палицыным он разработал и представил в 1907 году «Программу реформ и развития вооружённых сил России».
В 1908 году М.В. Алексеев назначается начальником штаба Киевского военного округа, получив при этом 30 октября звание генерал-лейтенанта. Он полностью окунулся в самостоятельную и знакомую ему работу. «Двигающей пружиной округа и вместе с тем мозгом и душой всей русской стратегии был начальник штаба генерал М.В. Алексеев — человек выдающейся военной культуры и огромной трудоспособности», — писал впоследствии военный историк Антон Керсновский. Авторитет Алексеева как разработчика планов и опытнейшего штабиста был настолько высок, что в 1910 году на съезде начальников штабов всех военных округов по его предложению был отвергнут представленный план стратегического развёртывания русских сил на Западном направлении и заменён новым, главной сутью которого был удар в возможной и предугадываемой войне прежде всего по Австро-Венгрии. Как в воду глядел мудрый генерал!
1 августа 1914 года грянула война, ставшая мировой. В эти тревожные дни состоялось командно-штабное учение с привлечением всех командующих приграничными округами с их начштабами.
Наиболее грамотными признали действия Алексеева, поэтому было принято решение назначить его начальником штаба самого ответственного тогда Юго-Западного фронта, перед которым развёртывала вооружённые силы Австро-Венгрия.
Битве в Галиции августа 1914 года, в отличие от происходившего там же Брусиловского прорыва 1916 года, не присвоено чьё-либо имя, а по справедливости надо бы назвать её Алексеевской операцией. 24 сентября 1914 года после взятия Львова Алексеев награждается Георгиевским крестом 4-й степени и производится в генералы от инфантерии (генерал-полковник по-современному).
В следующем году дела пошли хуже. На Северо-Западном фронте осложнилось положение наших армий, а в марте заболел главком Н.В. Рузский, товарищ по оружию ещё с Японской войны. Ставка вместо него назначает Алексеева, которому с трудом удалось стабилизировать положение. Но к лету немцы прорвали Западный фронт (им командовал Алексеев после разделения Северо-Западного фронта на два), имея целью окончательно уничтожить основные силы русской армии. Благодаря грамотным действиям главкома Алексеева немцам этого сделать не удалось.
К началу 1916 года Молох войны перемолол кадровый состав русской армии (то же можно сказать и о противнике), и она превратилась в народное ополчение, в массе своей из тёмного крестьянства. Россия перешла к стратегической обороне. Перед имперским руководством встал вопрос: что делать?
1 (14) апреля 1916 года в Ставке под председательством Николая II состоялось совещание командующих фронтами относительно плана на год. Вот тут и было решено предпринять летнее наступление в Галиции, поручив главкому Брусилову осуществить прорыв фронта. Ему было отдано всё, что страна могла скопить к этому времени. Прорыв удался, но, не поддержанный соседними фронтами, материальными ресурсами и пополнением, он не дал ожидаемого эффекта. Общее положение на русско-германском фронте не улучшилось.
В ноябре 1916 года Алексеев заболел почками и по распоряжению Николая II поехал в Севастополь лечиться, имея с царём и Ставкой постоянную телеграфную связь. В Ставке его обязанности временно была возложены на Василия Гурко, сына героя Болгарии Иосифа Гурко (тоже в некоторой степени тверича: его имение находилось в Сахарове под Тверью). Но тут наступили важнейшие события февраля—марта, в результате которых царь отрёкся от престола, а власть в стране перешла к Временному правительству, которое попыталось продолжить войну.
Понадобились генералы, знающие своё дело. 9 марта Временное правительство уволило с поста Верховного главнокомандующего великого князя Николая Николаевича и назначило Алексеева. Начальником штаба стал Антон Деникин, генерал-квартирмейстером — Яков Юзефович, военным министром — честолюбивый Александр Гучков. Однако и обстановка в армии была уже другой, и сама она превратилась из регулярной управляемой силы в почти политическую организацию.
18 июня 1917 года организовано, проведено и провалено последнее большое наступление русской армии на Юго-Западном фронте. Дезертирство, саботаж, самосуды над офицерами, митинги, анархия, политические партии — всё это доконало великую армию. В этих условиях Временное правительство назначило Верховным главнокомандующим генерала Лавра Корнилова, а начальником штаба Алексеева, но последний вскоре подал в отставку, не желая служить «пошлякам». Алексеев уезжает к семье в Смоленск.