У Тимура рано проявились способности к военному делу, а также к науке командовать людьми и подчинять их своей воле. В 1361 году он поступил на службу к хану Тоглуку — прямому потомку Чингисхана. Тот владел огромной территорией в Средней Азии. Вскоре Тимур стал советником сына Тоглука Ильяса-ходжи и правителем (наместником) кашкадарьинского вилайета во владениях Тоглука. К тому времени у сына бека из племени барлас уже был свой небольшой отряд конницы.
Оказавшись в опале, спустя некоторое время Тимур с отрядом бежал за Амударью, в Бадахшанские горы. Там ряды его отряда пополнились. Хан Тоглук отправил в погоню за Тимуром тысячу воинов, но, попав в засаду, они были почти полностью уничтожены отрядом Тимура.
Собрав силы, Тимур заключил военный союз с правителем Балха и Самарканда, эмиром Хусейном, и пошел войной на хана Тоглука и его сына-наследника Ильяса, войско которых состояло преимущественно из узбеков. На сторону Тимура перешли туркменские племена, слывшие умелыми всадниками. Скоро он объявил войну и своему союзнику — самаркандскому эмиру Хусейну. Тимур захватил Самарканд, один из самых крупных городов Средней Азии, и стал вести активные действия против сына хана Тоглука, у которого было, по некоторым данным, около 100 тысяч воинов (правда, 80 тысяч из них составляли гарнизоны крепостей, которые в сражениях почти не участвовали). В отряде Тимура насчитывалось всего около 2 тысяч всадников, но это были опытные воины. В нескольких сражениях Тимур нанес поражения ханским войскам, и к 1370 году их остатки отступили за реку Сыр. И тут Тимур проявил смекалку. От имени сына хана, командовавшего войсками Тоглука, он отправил всем комендантам приказ оставить свои крепости и со всеми гарнизонами отойти за реку Сыр. Вот так, с помощью военной хитрости, Тимуру удалось очистить от войск хана все крепости неприятеля.
В 1370 году курултай избрал Тимура великим эмиром в Мавераннахре (области между реками Амударья и Сырдарья). Он правил от имени потомков Чингисхана, опираясь на войско, кочевую знать и мусульманское духовенство. Своей столицей Тимур выбрал Самарканд.
Укрепляя новое государство, Тимур первым делом занялся организацией сильной армии. Свою борьбу за власть Тимур начинал с отрядом из 313 преданных ему воинов. Они-то и составили костяк командного состава созданной им армии: 100 человек стали десятниками, 100 — сотниками и последние 100 командовали тысячами. Самые близкие соратники Тимура получили высшие военные должности.
Воины армии Тимура, в отличие от войск Чингисхана и Батыя, получали жалованье (рядовой — от двух до четырех эквивалентов стоимости лошади). Самой распространенной мерой наказания было удержание за дисциплинарный проступок десятой части жалованья.
Основу армии Тамерлана составляла конница, которая делилась на легкую и тяжелую. Воины легкой обязаны были иметь лук, 18–20 стрел, 10 наконечников для стрел, топор, пилу, шило, иглу, аркан, мешок-турсук (для воды) и лошадь. На 19 таких воинов в походе отводилась одна кибитка. Самые достойные служили в тяжеловооруженной коннице. Каждый ее воин имел шлем, железные доспехи, меч, лук и двух лошадей. На пять таких всадников полагалась одна кибитка. Все необходимое для походной жизни монголы везли на запасных лошадях.
При Тимуре в монгольском войске появилась легкая пехота. Это были конные стрелки из лука (имевшие при себе 30 стрел), которые спешивались перед боем, чтобы увеличить меткость стрельбы. Такая пехота была очень эффективной в засадах, во время действий в горах и при осаде крепостей.
Войско Тимура отличалось четкой организацией и строгим порядком построения: каждый воин знал свое место в десятке, десяток — в сотне, сотня — в тысяче. Отдельные части войска различались по цвету одежды и знамен, мастям лошадей, боевому снаряжению. Согласно законам великого Чингисхана, перед походом воинам устраивался строгий смотр.
Опытный полководец, Тимур выбирал для битв своей конной армии ровную местность, обязательно с источниками воды и растительностью. Войска для сражения он выстраивал так, чтобы солнце не слепило глаза и не мешало лучникам. Он всегда оставлял резервы и усиливал фланги для окружения втянутого в сражение противника.
Битву начинала легкая конница, засыпавшая противника тучей стрел. Затем конные атаки следовали одна за другой. Когда противник начинал слабеть, в бой вводился сильный резерв из тяжеловооруженной конницы. Тимур говорил: «Девятая атака дает победу». Это было одно из его главных правил на войне.
Завоевательные походы за пределы своих владений Тимур начал в 1371 году. К 1380 году, после 9 таких походов, под его властью оказались все соседние области, заселенные узбеками, и большая часть территории нынешнего Афганистана. Полководец Тимур оставлял за собой только руины и воздвигал пирамиды из голов побежденных.
В 1376 году эмир Тимур оказал военное содействие потомку Чингисхана Тохтамышу. Благодаря этому Тохтамыш стал одним из ханов Золотой Орды, но вскоре отплатил своему покровителю черной неблагодарностью.