В 1908 году поступил, а в 1911 году окончил Оренбургское казачье юнкерское училище, получив похвальный лист начальника училища и чин хорунжего. Назначение Семенов получил в 1-й Верхнеудинский полк Забайкальского казачьего войска, но через три недели был откомандирован в Монголию для производства маршрутных съемок, где наладил хорошие отношения с монголами, для которых перевел с русского языка «Устав кавалерийской службы русской армии», а также стихи Пушкина, Лермонтова, Тютчева.
С августа 1911 Семёнов – хорунжий Верхнеудинского полка. Службу он проходил в военно-топографической команде в Монголии. Здесь молодой офицер близко сошёлся с наиболее видными представителями монгольского общества и даже принял определённое участие в подготовке и осуществлении государственного переворота, в результате которого 11 декабря 1911 была провозглашена независимость Внешней Монголии от Китая.
Поэтому по настоянию русских дипломатов Семёнов был вынужден покинуть Ургу. В последующие два года он был прикомандирован ко 2-й Забайкальской батарее. 19 апреля 1913 года переведён в 1-й Читинский полк. 20 декабря 1913 года – в Приморье, в 1-й Нерчинский полк, таким образом, Семенов оказался в одной части с бароном Унгерном фон Штенбергом и бароном Врангелем.
С 10 июля 1915 года Семёнов занимал должность полкового адъютанта. Командиром Нерчинского же казачьего полка в 1915 году был барон Врангель, который дал следующую, небеспристрастную, но всё же весьма интересную характеристику будущему атаману:
«Семёнов, природный забайкальский казак, плотный коренастый брюнет, ко времени принятия мною полка, состоял полковым адъютантом и в этой должности прослужил при мне месяца четыре, после чего был назначен командиром сотни. Бойкий, толковый, с характерной казацкой смёткой, отличный строевик, храбрый, особенно на глазах начальства, он умел быть весьма популярным среди казаков и офицеров. Отрицательными свойствами его были значительная склонность к интриге и неразборчивость в средствах для достижения цели».
В конце 1916 года Семёнов по ходатайству перешёл в 3-й Верхнеудинский полк, находившийся в Персии, куда прибыл в январе 1917 года. Воевал на Кавказе, затем в составе дивизии Левандовского совершил поход в персидский Курдистан.
По возвращении из Персии, находясь на Румынском фронте, Семёнов обратился с докладной запиской на имя военного министра Керенского, в которой предложил сформировать в Забайкалье отдельный Монголо-бурятский конный полк. И привести его на фронт с целью «пробудить совесть русского солдата, у которого живым укором были бы эти инородцы, сражающиеся за русское дело». В июне 1917 г. Был назначен комиссаром Временного правительства по формированию добровольческих частей из монгол и бурят в Забайкальской области.
После Октябрьского переворота Семёнов, имея разрешение не только от Временного правительства, но и от Петроградского Совета рабочих и солдатских депутатов, продолжал формировать в Забайкалье конный Бурято-Монгольский казачий отряд. Но в отряд он уже принимал не только монголов и бурят, но и русских. Условием принятия в полк был «отказ от революционности». Поняв, что Семёнов создаёт антибольшевистские части, читинский Совдеп задержал выплату денег на формирование отряда. 1 декабря 1917 г. большевики в Верхнеудинске попытались разоружить отряд Семёнова, а самого его арестовать. Семёнов оказал вооружённое сопротивление. Эти события красные объявили «неудачной попыткой захвата власти в Верхнеудинске». Затем Семёнов отправился в Читу, где силой забрал деньги у читинского Совдепа, причитавшиеся для его отряда, посадив его главу, Пумпянского, за решётку, после чего ушёл в Маньчжурию.
В Харбине он разоружил и распустил пробольшевистские запасные батальоны Русской армии, разогнал местный большевистский ревком, казнив его главу Аркуса. Затем, преодолевая сопротивление генерала Хорвата (управляющий КВЖД от имени России в Маньчжурии), не желавшего воевать с большевиками, и китайских властей, Семёнов пополнил и вооружил свой отряд более, чем в пятьсот человек.
29 января 1918 г. вторгся в Забайкалье, заняв его Восточную часть, Даурию. Однако под натиском отрядов красногвардейцев, состоявших из рабочих забайкальских горных заводов, железнодорожников, каторжников и пленных австро-венгров под командованием Лазо, вынужден был отступить в Маньчжурию.
В середине апреля 1918 года из Маньчжурии в Забайкалье войска атамана Семёнова насчитывали более тысячи штыков и сабель, это против пяти тысяч у красных. Такими неравными силами Семёнов поднял восстание забайкальского казачества против большевиков. К маю пополнившись восставшими казаками войска Семёнова, подошли к Чите. Но красные, стянув отовсюду силы, отбили наступление казаков и сами перешли в контрнаступление. Бои между казаками Семёнова и красными отрядами с переменным успехом шли в Забайкалье, покуда казаки нанесли решающее поражение большевикам и взяли Читу. В городе по распоряжению Семёнова было создано военное училище для юнкеров.