До 1904 года служил в штабе Туркестанского военного округа. Участвовал в географических разведывательных экспедициях в Восточном Туркестане, Афганистане, Иране и Индии, собирал важнейшие картографические материалы и сведения о местных народах, занимался созданием агентурных сетей. Проявил себя как блестящий разведчик. Наряду с немецким и французским языками овладел английским, персидским, казахским, монгольским, калмыцким и урду.
С началом Русско-японской войны Лавр Корнилов добился назначения в действующую армию и получил должность штаб-офицера 1-й бригады Сводно-стрелкового корпуса (фактически исполнял обязанности начальника штаба). После поражения Русской армии под Мукденом полки бригады Корнилова попали в окружение, которое ему удалось прорвать в результате штыковой атаки. Храбрые действия военачальника были отмечены несколькими наградами, в том числе орденом Святого Георгия IV степени и Георгиевским оружием, а сам он был произведен в чин полковника.
Несмотря на неудачное окончание Русско-японской войны, наиболее отличившиеся генералы получали продвижение по службе в рамках реформирования армии. В их числе был и Л. Г. Корнилов, поступивший в 1906 году на службу в главное управление Генерального штаба, где в его обязанности входило формирование разведки на южных рубежах России.
Вскоре Лавра Георгиевича настигли личные трагедии: ему пришлось пережить смерть отца и маленького сына. Имея репутацию востоковеда, он оставил штабную должность и отправился в Китай в качестве военного агента. В 1910 году Корнилова отозвали, и после недолгой службы командиром 8-го Эстляндского полка он вернулся на Дальний Восток начальником отряда пограничной стражи в чине генерал-майора. Его дипломатическая деятельность была высоко оценена государственными наградами не только России, но и Британии, Франции, Японии и Германии.
В 1913 году Л. Г. Корнилов инициировал расследование в отношении организации довольствия, выявив факты хищений, что в конечном итоге вылилось в серьезный конфликт с премьер-министром В. Н. Коковцовым. Корнилов вернулся в военное ведомство командиром бригады 9-й Сибирской стрелковой дивизии на острове Русском во Владивостоке. Причем, как считает доктор исторических наук, известный исследователь Белого движения В. Ж. Цветков, карьера Лавра Георгиевича могла завершиться на этом, если бы не начало Первой мировой войны.
В августе 1914 года Корнилов отбыл на фронт командиром 1-й бригады 48-й пехотной дивизии (будущей «Стальной») в корпусе генерала А. А. Цурикова. Дивизия входила в состав 8-й армии генерала А. А. Брусилова, которая находилась на крайнем левом фланге Юго-Западного фронта. Началось общее наступление Русской армии против Австро-Венгрии. На контрудар противника Л. Г. Корнилов отвечал уже в должности начальника 48-й пехотной дивизии. Несмотря на то что подразделение было вынуждено отступить, австрийцы не смогли прорвать фронт. Впоследствии А. И. Деникин писал:
«Получилась эта неудача у Корнилова, очевидно, потому, что дивизия не отличалась устойчивостью, но очень скоро в его руках она стала прекрасной боевой частью».
После успеха под Варшавой генерал Брусилов принял решение теснить врага к перевалам в Карпатах. Новое наступление позволило Корнилову и его «Стальной» дивизии проявить себя в полной мере. Генерал демонстрировал смелость и даже дерзость, собственным примером воодушевляя подчиненных, и его подразделение сражалось с большим успехом. По словам Брусилова, он «лично был храбр и лез вперед очертя голову».
Надо сказать, что А. А. Брусилов недолюбливал Л. Г. Корнилова, нередко негативно отзывался о его «жажде отличиться», но тем не менее отмечал в воспоминаниях, что солдаты его безусловно любили:
«Он всегда был впереди и этим привлекал к себе сердца солдат, которые его любили. Они не отдавали себе отчета в его действиях, но видели его всегда в огне и ценили его храбрость».
Историк В. Ж. Цветков обращает внимание на то, как характеризовали Корнилова те, кто воевал с ним в рядах 48-й пехотной дивизии. В частности, сохранились рукописные воспоминания представителей совершенно разных чинов: от солдат и унтер-офицеров до сослуживцев в штабе. Во многих из них есть свидетельства о том, что Корнилов не стремился к проведению напрасных, бессмысленных операций. В то же время он всегда был готов рисковать собой и лично находился на линии огня среди своих подчиненных. Это и вызывало огромное доверие. И в этом отношении слова М. Ю. Лермонтова «слуга царю, отец солдатам» можно в полной мере применить к Лавру Георгиевичу.