После окончания института он отбывал воинскую повинность вольноопределяющимся 1-го разряда в лейб-гвардии Конном полку. В 1902 году выдержал испытание на чин корнета и был записан в запас кавалерии гвардии. Непродолжительное время офицер-запасник служил в Иркутске чиновником для особых поручений при местном генерал-губернаторе.
Судьбу Врангеля изменила начавшаяся Японская война: он добровольцем отправляется в действующую армию. Воюет в отряде генерала Ренненкампфа, в Отдельном дивизионе разведчиков. Сумел проявить лучшие черты кавалерийского офицера, личную храбрость и решительность. Был награжден двумя боевыми орденами и досрочным присвоением звания подъесаула Забайкальского казачьего войска.
В мае 1907 года Петр Врангель возвращается в ряды лейб-гвардии Конного полка в чине поручика и поступает в Академию Генерального штаба, которую успешно окончил в 1909 году. В следующем году оканчивает еще Офицерскую кавалерийскую школу. Вскоре после возвращения в родной полк становится командиром «шефского» эскадрона Его Величества.
Карьера военного человека, принятого в высшем обществе, складывалась удачно. Став ротмистром, он создает семью, женившись на фрейлине императрицы дочери камергера Высочайшего двора Ольге Иваненко. Врангель, как семьянин, был счастлив, у супругов на свет появились две дочери и два сына (младший родился уже в эмиграции).
С началом Первой мировой войны гвардия отбывает на фронт. В первом же бою 1-й гвардейской кавалерийской дивизии эскадронный командир совершает подвиг. 6 августа 1914 года его конногвардейцы в конном строю берут позицию германской артиллерийской батареи. Все офицеры эскадрона убиты, есть потери среди нижних чинов, а ротмистр Врангель цел и невредим.
За лихую атаку у деревни Каушен в Восточной Пруссии и выигранный бой Петр Врангель высочайшим приказом награждается орденом Святого Георгия 4-й степени. В декабре первого военного года производится в полковники (чина подполковника в кавалерии гвардии не было) и жалуется во флигель-адъютанты свиты Его Величества. В июне 1915 года за отличия в рядах лейб-гвардии Конного полка получает Георгиевское оружие.
В октябре 1915 года полковник П. Н. Врангель получает в командование 1-й Нерчинский полк Забайкальского казачьего войска, входивший в состав Уссурийской казачьей дивизии. С ним в полку служили два человека, имена которых получили в годы Гражданской войны известность на Дальнем Востоке – будущий атаман Семенов и барон Унгерн фон Штернберг.
За блестящую атаку 22 августа 1916 года в Лесистых Карпатах полк Врангеля получает высокую награду в русской армии – его шефом становится наследник цесаревич Алексей Романов. Полковой командир был ранен и отправлен на лечение в Петроград. Там он, как флигель-адъютант, на некоторое время был назначен дежурным офицером при императоре, получив право обедать с царской семьей.
В декабре 1916 года Врангель назначается командиром бригады Уссурийской дивизии, которой командовал генерал А. М. Крымов. В январе 17-го, в 39 лет, «за боевые отличия» производится в генерал-майоры. Вскоре дивизия была переброшена на Румынский фронт, в Бессарабию. Врангель становится ее начальником. Там генерал-монархист встретил известие об отречении императора Николая II от престола.
Барон Врангель не скрывал своих монархических взглядов. Поскольку он не соответствовал «духу времени», ему пришлось в апреле 17-го года покинуть пост начальника Уссурийской казачьей дивизии. Но уже в июле его назначают командиром Сводного кавалерийского корпуса в составе 7-й кавалерийской и 3-й Кавказской дивизий. Во время летнего отступления 7-й и 8-й армий Юго-Западного фронта корпус, действуя на их стыке, удачно провел жестокие арьергардные бои на реке Збруч, десять дней «держа» фронт. Как писал сам П. Н. Врангель, в той ситуации ему удалось «достичь психологического единства» с подчиненными ему войсками.
За бои на Збруче генерал-майор Врангель «постановлением наградных Дум сводного конного корпуса» награждается солдатским Георгиевским крестом 4-й степени. Награждения офицеров и военачальников солдатскими «Егориями» было введено Временным правительством в порядке «Демократизации армии». О такой боевой награде Врангель в своих мемуарах по неизвестной причине не упоминает.
В августе 17-го Врангель получил приказ Верховного главнокомандующего генерала от инфантерии А. Г. Корнилова выслать в распоряжение командующего 3-м конным корпусом генерала Крымова из состава 3-й Кавказской дивизии Осетинский и Дагестанский конные полки. Но выполнить этот приказ Врангелю не удалось, поскольку «корниловский мятеж» был уже подавлен.
Чистка армейских рядов от корниловцев, устроенная Временным правительством, не коснулась барона Врангеля. Более того, он получил приказ А. Ф. Керенского принять командование над стоявшим под Петроградом 3-м конным корпусом, то есть заменить Крымова. Когда Врангель прибыл на новое место службы, то оказалось, что место покончившего с собой Крымова уже занял генерал П. Н. Краснов.