Действительную службу Михаил Воронцов начал в 1801 г. поручиком лейб-гвардии Преображенского полка. В 1803 г. он отправился волонтером на Кавказ, где отличился в боях с горцами и персами. 3 января 1804 г. при штурме Гянжи вынес с поля боя раненого офицера. В сражениях с персами находился при главнокомандующем русскими войсками на Кавказе князе Цицианове. 19 июня русские войска разбили 18-тысячный корпус противника у Эчмпадзииского монастыря, а 25 июня — перешедшую пограничную реку Араке 20-тысячную армию Аббаса-Мирзы. 30 июня Аббас-Мирза вновь потерпел поражение, потеряв 17 тысяч убитыми, 7 орудий и 4 знамени. Во всех этих сражениях Воронцов принимал непосредственное участие. Князь Цнцнанов писал в представлении императору: «Не могу не рекомендовать особенно находящегося при мне за бригад-майора, не сменяющегося, лейб-гвардии Преображенского полка поручика графа Воронцова, который деятельностью и попечительностью своей заменял мою дряхлость, большою мне служит помощью…» По этому представлению Михаил Воронцов 28 августа 1804 г. был награжден орденом св. Георгия 4-й степени и чином капитана.
С началом войн с наполеоновской Францией Воронцов перевелся с Кавказа. В 1805–1807 гг. он воевал в Померании, под Гомельном, Пултуском, Гутштадтом, Фридландом, Гейльсбергом и к концу войны за военные отличия был произведен в полковники. В 1809 г. молодой полковник Воронцов получил в командование Нарвский мушкетерский полк. Здесь он написал «Наставление господам офицерам Нарвского пехотного полка в день сражения», в котором говорилось не только о тактических тонкостях ведения боя, по и о воспитании морально-волевых качеств офицеров и рядовых: «Господам офицерам, особливо ротным командирам, в сражении крепко и прилежно замечать, кто из нижних чинов больше отличается храбростью, духом твердости и порядка, таковых долг есть высшего начальства скорее производить в чины, ибо корпус офицеров всегда выигрывает получением настоящего храброго офицера, из какого бы рода он ни был».
Воронцов принял участие и в русско-турецкой вой не 1806 1812 гг. Он отличился в штурме крепости Базарджик, за что был произведен в генерал-майоры.
Затем штурмовал Шумлу, принимал активное участие в сражениях под Батином, Систовом, Плевной, Ловгой, Рущуком. В конце сентября генерал Воронцов получил приказ от главнокомандующего русской армией М. II. Кутузова: переправиться на правый берег Дуная, в тыл неприятелю, и принудить его к отступлению. 7 октября русские войска форсировали Дунай у Груи, а с 8-го числа заняли Виддинскую равнину. Здесь их встретило более 5 тысяч турок, которые, выйдя из Виддина, обошли каре правого фланга и в конном строю атаковали русскую кавалерию, но артиллерия, батальонный огонь пехоты и слаженная атака драгун и улан рассеяли неприятеля. За эту победу Воронцов был награжден орденом св. Георгия 3-й степени.
Начало Отечественной войны 1812 г. он встретил начальником сводной гренадерской дивизии в составе 2-й Западной армии князя Багратиона, которая сражалась 11 июля под Дашковкой, с 4 по 6 августа защищала Смоленск, до последнего человека стойко обороняла Шевардинский редут и Семеновские флеши, где Воронцов был тяжело ранен. После ранения он приказал своим адъютантам подобрать на Бородинском поле и разыскать в лазаретах всех раненых офицеров и солдат своей дивизии.
Михаил Семенович вернулся в войска под команду графа Чернышева, а затем участвовал в заграничных походах русской армии, оставаясь начальником той же дивизии. Командовал авангардом 3-й Западной, а затем Северной армии. В январе 1813 г. разбил польские части у Рогозно, овладел Познанью. В том же году сражался при Денневице и участвовал в битве под Лейпцигом.