В 1911 году Дмитрий Михайлович с отличием окончил Николаевскую военно-инженерную академию. По распределению капитан Карбышев должен был стать командиром минной роты Севастопольской крепости, но вместо этого был направлен в Брест-Литовск. Там он принимал участие в строительстве фортов Брестской крепости.
Во время Первой мировой войны участвовал в сражениях в составе 8‑й армии генерала Брусилова. Возводил укрепления русских войск у Дубно, Луцка, на линии реки Стодол. В качестве дивизионного инженера участвовал в боях при обороне Бескидских перевалов Карпатских гор.
В начале 1915 года во время штурма крепости Перемышль Карбышв получил ранение в ногу. За храбрость и отвагу был награжден орденом Святой Анны 2‑й степени и произведен в подполковники. В 1916 году принимал участие в знаменитом Брусиловском прорыве.
Военнопленные фашистских концлагерей передавали друг другу как приказ слова старшего среди них и по возрасту, и по воинскому званию генерала Карбышева: «Плен – страшная штука, но ведь это тоже война, и, пока война идет на Родине, мы должны бороться здесь. Поступайте так, как нужно в интересах Родины, и говорите всем, что это я вам приказал».
В декабре 1917 года Карбышев вступил в Красную гвардию. Он занимался укреплением позиций красноармейцев в Поволжье, на Урале, в Сибири, на Украине. В должности начальника 6‑го военно-полевого строительства руководил оборонительными работами вокруг Самары, где, осуществил на практике идею создания полевого укрепленного района, надежно прикрывающего тылы и являющегося плацдармом для развития наступления. В 1920 году стал начальником инженеров 5‑й армии Восточного фронта, а осенью 1920 года был назначен помощником начальника инженеров Южного фронта.
После окончания Гражданской войны Дмитрий Михайлович стал преподавать в Военной академии Генерального штаба, в 1934 году возглавил кафедру военно-инженерного дела. С 1936 года был помощником начальника кафедры тактики высших соединений.
Им были написаны книги «Боевое применение заграждений в маневренных условиях», «Противотанковые преграды и способы их преодоления», «Разрушения и заграждения», «Минирование дорог».
В 1939–1940 годах генерал участвовал в советско-финляндской войне, готовил рекомендации войскам по инженерному обеспечению прорыва линии Маннергейма. В 1941 году защитил диссертацию доктора военных наук.
За несколько дней до начала Великой Отечественной войны генерал-лейтенант Карбышев прибыл в штаб 3‑й армии в город Гродно (Белоруссия) и сразу же выехал в войска. Он побывал в районе Августовских лесов, осмотрел оборонительные сооружения вокруг Гродно и Каунаса, много часов провел на берегах Немана, где рыли траншеи и строили противотанковые рвы. И на каждом месте, где побывал, Дмитрий Михайлович давал советы и указания, разрешал сомнения командиров, вносил предложения. Особенно много внимания им было уделено укреплению стыка между 3‑й и 11‑й армиями.
Утром 22 июня 1941 года, уже через десять минут после объявления тревоги, генерал вышел из гостиницы и направился в штаб армии, где включился в командную работу. Днем начальник инженерных войск Западного особого округа генерал П. М. Васильев предложил Карбышеву вернуться в штаб округа в Минск, чтобы оттуда вылететь в Москву. Карбышев ответил:
– Я солдат, а солдату в такое время уезжать нельзя. Я не могу бросить фронт.
Военная обстановка обострялась, нависла угроза окружения. Карбышев 24 июня выехал в соседнюю 10‑ю армию, командование которой обратилось к нему за помощью в оборудовании нового оборонительного района. Без сна и отдыха Дмитрий Михайлович руководил инженерными работами. Переезжая с места на место, он каждый день попадал под бомбежки и артиллерийские обстрелы. Сопровождавшие его офицеры просили его быть осторожнее.
– Напуган – побит, – отвечал Карбышев словами Суворова.
Карбышев был первым советским ученым, которому принадлежит наиболее полное исследование и разработка вопросов применения разрушений и заграждений. Значителен его вклад в научную разработку вопросов форсирования рек и других водных преград. Он опубликовал более 100 научных трудов по военно-инженерному искусству и военной истории.
Однако вскоре штаб армии оказался в окружении. Было принято решение разбиться на мелкие группы и попытаться пробиться через фронт к своим.