После возвращения Воротынскому было поручено организовать пограничную службу. По его инициативе был принят первый устав пограничной службы и были созданы две линии обороны на южных рубежах страны: сооружались лесные засеки, заграждения на бродах, выжигались трава и кусты. В 1572 году Михаил Иванович стал главным защитником страны от ханского нашествия. За год до этого Девлет-Гирей напал на столицу и сжег ее. Царь Иван Грозный не смог защитить город и с позором бежал вместе со своим опричным войском. На следующий год хан решил повторить свой «подвиг». Против него выступил М. И. Воротынский с пограничными полками. В битве при Молодях ему удалось разгромить 120-тысячное крымское войско, хотя собственных сил у него было в несколько раз меньше.
Но царь Иван Грозный не захотел по достоинству оценить заслуги талантливого воеводы. В 1573 году по доносу беглого слуги князь был обвинен в чародействе. Наказание было ужасным: связанного Михаила Ивановича положили между двух костров, а царь самолично подгребал под его тело угли. После этого, едва живого, его отправили на Бело-озеро, но туда он не доехал, поскольку в дороге скончался.
Несомненно, что Иван Михайлович хорошо знал о жизни и деда, и отца. Он должен был бы ненавидеть царя Ивана Грозного, но долг заставил поступить на царскую службу. В 1582 году он — воевода Тулы. Там располагался украинный Большой полк, который должен был соединяться с главными пограничными полками. Князь И. В. Сицкий попытался было с ним местничать, но царь отказал в суде, зная, что Воротынский значительно выше стоит на иерархической лестнице, несмотря на опалы отца. Можно предположить, что в это время князю было 20 с небольшим лет — именно в этом возрасте начиналась воеводская служба для представителей знати. В следующем, 1583, году И. М. Воротынского отправляют на подавление восстания поволжских народов. Он главный военачальник — первый воевода Большого полка. Воеводы других полков А. Куракин и И. Ноготков решили местничать с молодым князем. Из Мурома они отправили царю грамоты о том, что не будут исполнять свои обязанности, пока тот их не рассудит. Иван Грозный быстро разобрался в этой тяжбе и приказал князя Ноготкова отправить в тюрьму за излишнее чванство, Куракину же пообещал устроить после похода суд. В итоге все воеводы отправились в Нижний Новгород исполнять свой долг, правда, пробыли они там недолго, поскольку в марте 1584 году царь Иван умер. Новый царь Федор Иванович отправил в Поволжье другие полки. Предположительно в 1586 году Воротынский попал в опалу за участие в выступлении Шуйских против царицы Ирины. Только в 1588 году он получил новое назначение — во главе плавной рати (войско на судах) отправиться к Астрахани, где предстояло строить каменный кремль. Сколько пробыл князь в Астрахани — неизвестно. Новые сведения о нем относятся к 1592 году. Он получает боярство и назначен воеводой Казани. С одной стороны, эти данные говорят о том, что положение князя при дворе улучшилось. Однако казанское воеводство говорило о том, что в число близких царю Федору Ивановичу людей Воротынский не вошел. Годуновым не нужен был слишком знатный соперник, царь же не мог забыть того, что князь пытался вмешаться в его семейные дела. Так и прожил Иван Михайлович в Казани до 1598 года, пока на престол не взошел Борис Годунов. На смену ему прислали боярина Ф. И. Хворостинина.
Разряды молчат о том, чем занимался Воротынский в царствование Бориса. Вероятнее всего, был не у дел, и потому что выступал против царицы Ирины Годуновой, а значит, и против всех ее родственников, и потому что был внуком Анастасии Захарьиной и приходился дальним родственником Романовых, попавших в опалу в 1600 году.
Поскольку при дворе царя Бориса у Воротынского не было никакой перспективы, то появление Лжедмитрия I оказалось для него выгодным. После свержения Годуновых 1 июня 1605 года князь одним из первых отправился в Тулу приветствовать самозванца. Вместе с ним поехал и A. А. Телятевский, зять С. Н. Годунова, главного Борисова наушника. В итоге князья были приняты без всякого почета. Лжедмитрий демонстративно принял первыми донских казаков, обласкал и одарил их. Князей же стал ругать за то, что они долго не верили в его истинность и не оказывали ему поддержки. Это неуважение запало глубоко в душу знатному князю. Он сразу же окончательно разуверился в том, что «Дмитрий» — настоящий сын царя Ивана IV. Вернувшись в Москву, Воротынский связался со своим другом B. И. Шуйским, и вместе они пришли к выводу, что самозванца следует как можно скорее разоблачить.