После окончания Николаевского кадетского корпуса, 31 августа 1884 года Евгений Карлович поступил в Николаевское кавалерийское училище, которое окончил вахмистром эскадрона, и в 1886 году был произведен в корнеты Лейб-Гвардии Гусарского Его Величества полка. «Кадетский корпус, кавалерийское училище и полк, в котором я имел честь и счастье служить, заострили во мне чувство любви к Родине, чувство долга перед Россией и преданности ее Государю как носителю верховной державной власти, воплощающему в себе высший идеал служения России на благо русского народа», – вспоминал он.
В том же году произошло и другое знаменательное событие в жизни Евгения Карловича – он женился на Наталии Николаевне Шиповой, дочери генерал-адъютанта Н. Н. Шипова. «Тата», как ласково называл ее Миллер, унаследовала имя и красоту от своей родной бабушки Наталии Николаевны Пушкиной, дочерью которой от второго брака была мать Наталии Шиповой, София Петровна. Любовь к супруге Евгений Карлович пронес до конца своих дней.
После необходимых трех лет в строю Миллер поступил в Николаевскую Академию Генерального Штаба, окончив ее по первому разряду в 1892 году. Но уже в следующем году он был «уволен от службы для определения к штатским делам, с переименованием в коллежские ассесоры», правда, «сохранив при этом все права и преимущества военной службы». В июле 1896 года Миллер был Высочайшим приказом переименован в капитаны со старшинством с 30 августа 1891 года, после чего начинается его служба по Генеральному Штабу. Важной ступенью военной карьеры Миллера стала должность военного агента (атташе) в Бельгии и Голландии (с 12 февраля 1898 года). В этом качестве Евгений Карлович принимал участие в подготовке первой Гаагской мирной конференции, созванной в 1899 году по инициативе России и выработавшей конвенции «О мирном решении международных столкновений», «О законах и обычаях сухопутной войны», «О применении к морской войне начал Женевской конвенции 1884 года о раненых и больных». 14 августа 1901 года Миллер был назначен российским военным агентом в Риме, а 6 декабря 1901 года за отличие по службе произведен в полковники. В Италии он находился до 1908 года.
В 1908–1909 годах Миллер вновь на строевой службе – командир 7-го гусарского Белорусского Великого Князя Михаила Михайловича полка и (временно) 7-й кавалерийской дивизии. В 1909 году за отличия по службе он был произведен в генерал-майоры и возглавил Отдел 2-го обер-квартирмейстера Главного управления Генерального Штаба, который руководил всеми военными агентами за границей и изучал театры военных действий и армии как возможных противников, так и союзников. Один из подчиненных Миллера в эти годы так характеризовал своего начальника: «Спокойной и приятной была также общая атмосфера во всем нашем отделе благодаря Е. К. Миллеру. Образованный и светски-воспитанный, бывший лейб-гусар… Миллер принес с собою обычаи и привычки человека общества, офицера хорошего гвардейского полка и европейца, плюс свое природное доброжелательство. Он завел в помещении отдела общие завтраки, на которых председательствовал сам и которыми пользовался, чтобы короче узнать своих офицеров и сближать их между собою».
С 1910 по 1912 год Миллер занимал пост начальника Николаевского кавалерийского училища. Обучение для юнкеров было довольно тяжелым, но, как вспоминал один из выпускников училища, «отношение начальства и корнетства (юнкеров выпускного года. –
В ноябре 1912 года Миллер стал начальником Штаба Московского военного округа, войсками которого командовал генерал П. А. Плеве. По мобилизационному плану из войск округа формировалась V-я армия, а Штаб округа во главе с Миллером должен был образовать ее Штаб.
Летом 1914 года жизнь войск округа шла обычым чередом. В мае все они перешли для летних занятий в лагеря; один из полков Гренадерской дивизии и несколько других частей стояли лагерем на Ходынском поле под Москвой, куда приехал и командующий войсками округа генерал Плеве со своим Штабом. По воспоминаниям Миллера, он «не ощущал никаких тревожных признаков; к половине июля Сараевский выстрел, вызвавший всеобщее негодование, казалось, уже принадлежал истории…»