Лишь в 27-летнем возрасте, 25апреля 1752 года, Иван Иванович был произведен в подпоручики артиллерии. Через некоторое время он получил назначение на должность старшего офицера Петербургской артиллерийской лаборатории, где зарекомендовал себя неплохим специалистом.
28 июня 1756 года Канцелярией Главной артиллерии и фортификации на И.И. Меллера было возложено необычное задание – он стал хранителем и заведующим Достопамятного зала – предшественника Военно-исторического музея артиллерии, инженерных войск и войск связи. Именно стараниями своего первого хранителя темное, без окон, хранилище «курьезных и достопамятных» военных памятников, прежде всего старинных орудий, было оборудовано двумя окнами и отдельным входом. Много пришлось бороться Ивану Ивановичу за вверенные ему исторические стволы после указа Сената от 11 октября 1756 года о переливке старых и негодных орудий в монеты. Благодаря усилиям И.И. Меллера от уничтожения были спасены многие орудия, являющиеся ныне гордостью музея. И впоследствии Иван Иванович много внимания уделял пополнению коллекции Достопамятного зала.
В канун Семилетней войны 1756–1762 годов, находясь уже в чине капитана[25]
, И.И. Меллер возглавил Петербургский арсенал. Совместно с такими видными артиллеристами того времени, как М.Г. Мартынов и М.В. Данилов, он принимает деятельное участие в проведении работ и исследований по усовершенствованию материальной части артиллерии. В этих вопросах он пользуется поддержкой и доверием самого генерал-фельдцейхмейстера, графа П.И. Шувалова.13 марта 1757 году Меллер получает от него указание о подготовке чертежей новых образцов орудий, получивших впоследствии наименование «шуваловских единорогов». В этом же году самим И.И. Меллером был сконструирован 2-х пудовый единорог, а несколько позднее – 3-х фунтовый. По конструкторскому замыслу, благодаря легкости 3-х фунтовых единорогов, возможности переносить их на руках, перевозить на вьюках в разобранном виде, они должны были придаваться ротам и обслуживаться расчетом в 7-10 человек.
С началом Семилетней войны австрийцы запросили у русского правительства некоторое количество орудий новых образцов. В Европе оценили их достоинства. Согласие на этот счет было получено. Генерал-фельдцейхмейстер сформировал специальную группу из офицеров и рядовых, которые в качестве инструкторов должны были вместе с ним заняться обучением австрийских артиллеристов.
31 августа 1758 года И.И. Меллер был произведен в майоры, а уже 1 января 1759 г., за участие в подготовке праздничного фейерверка на льду Невы, весьма понравившегося Императрице Елизавете Петровне – в подполковники.
Отличился Иван Иванович и в Семилетней войне. В период осады и штурма сильнейшей приморской крепости на Балтике – Кольберга, он командовал осадной артиллерией. Ему удалось довольно успешно организовать подавление вражеской крепостной артиллерии. Начиная с сентября 1761 года руководимая Меллером артиллерия вела искусно организованный методический огонь, который наносил немалые потери противнику и деморализовывал его. В результате прямого попадания был взорван пороховой погреб, у осажденных иссякли запасы продовольствия. 5 декабря 1761 г. комендант крепости заявил русскому командованию о капитуляции гарнизона. 15 декабря 1761 года покоритель Кольберга генерал-поручик граф П.А. Румянцев направил в Петербург для вручения Елизавете Петровне реляции о взятии крепости и 45 прусских трофейных знамен и 3 штандартов подполковника артиллерии Меллера. В феврале 1762 года Иван Меллер производится в полковники.
После окончания Семилетней войны И.И. Меллер активно занимается усовершенствованием материальной части русской артиллерии. По его чертежам в Санкт-Петербургском арсенале были изготовлены облегченные образцы 12 (122-мм) – и 6-фунтовых (95-мм) пушек и усовершенствованный образец полупудового 152-мм) единорога, принятые на вооружение в 1763 г. Служебное рвение Меллера не осталось незамеченным. 22 сентября 1764 года его производят в генерал-майоры артиллерии.
В конце 1766 году Меллер, как представитель нового генерал-фельдцейхмейстера графа Г.Г. Орлова, направляется в Москву для наблюдения за работой Московской конторы Канцелярии Главной Артиллерии и Фортификации. Более года исполнял он эту должность, а по возвращении в Петербург был назначен присутствующим в Канцелярии Главной артиллерии и фортификации.
В 1768 году Меллер назначается присутствующим, а в 1770 году – директором Канцелярии Ладожского канала. На этой должности Иван Иванович оставался в течение пятнадцати лет, удостоившись за усердие награждением 24 февраля 1769 года орденом Святой Анны.
В сентябре 1772 года И.И. Меллер назначается присутствующим в Совете Сухопутного Шляхетного кадетского корпуса – кузницы офицерских кадров русской армии. Членом Совета он оставался вплоть до его упразднения в 1785 году. В апреле 1773 года Меллер производится в генерал-поручики, а 21 августа 1775 года «за труды его при артиллерии» награждается орденом Святого Александра Невского.