Уже в чине генерал-лейтенанта Воронцов командовал 10-тысячным отрядом в Силезской армии прусского фельдмаршала Блюхера. Против русских корпусов этой армии Наполеон выставил под Краоном 50 тысяч солдат, включая две дивизии старой гвардии. Маршал Виктор атаковал центр русских позиций, а маршал Ней двинул свои дивизии на приступ левого фланга Воронцова. Нея остановили русская артиллерия и егеря. Наполеон перебросил на правый фланг до 100 орудий, и французы вновь пошли в атаку. В этот момент Воронцов показал пример личного мужества, подъезжая к полкам и заменяя в бою батальонных командиров. Дивизии Нея были отброшены второй раз, но третьей атакой французам удалось захватить позиции русской конной батареи. Однако солдаты Ширванского полка и егеря, ведомые своим генералом, вновь отбросили противника. Русские войска остались на прежних позициях, но в это время Воронцов получил уже третий приказ об отступлении. Его корпус начал отходить в полном порядке, сдерживая атаки войск Наполеона, пока к русским частям не подошло подкрепление. Французы потеряли в этом сражении более 5 тысяч человек убитыми, в том числе 7 генералов. За этот бой Воронцов был удостоен ордена св. Георгия 2-й степени «…за отличие в сражении при Краоне». Михаил Семенович находился и среди участников взятия Парижа, а в 1815 г., получив звание генерал-адъютанта императора Александра I, был назначен командиром оккупационного корпуса во Франции.
Незадолго перед этим Воронцов составил «Правила для обхождения с нижними чинами» и «Наставления офицерам 12 и дивизии», где утверждал необходимость гуманного отношения к солдатам. Он был противником павловской системы подготовки войск, основанной на жестоком обращении с нижними чинами. В 1815 г. он писал генералу Сабанееву: «Я всегда в себе думал, что ежели по опыту найду, что военная служба без пустого и без резонного бесчеловечья существовать не может, то я в оной не слуга и пойду в отставку». Командуя последующие три года оккупационным корпусом, Воронцов завел полковые школы для обучения солдат грамоте. Резко отрицательно он относился к плац-парадной муштре, насаждавшейся в армии, но вынужден был следовать приказам и рекомендациям вышестоящего начальства. Возвратившись в Россию в 1819 г., граф Воронцов был назначен командиром 3-го пехотного корпуса.
Будучи одним из крупнейших русских помещиков, Воронцов придерживался либеральных взглядов и был близок к деятелям преддекабристских организаций. В 1820 г. вместе с И. И. Тургеневым пытался основать дворянское общество для постепенного освобождения крестьян. В своих обширных имениях наряду с крепостнической формой хозяйствования применял и наемный труд.
С 1823 г. Воронцов стал новороссийским генерал-губернатором и полномочным наместником Бессарабской области. В это время он покровительствовал сосланному на юг А. С. Пушкину, однако затем их отношения испортились из-за увлечения поэта его женой графиней Е. К. Воронцовой. С началом царствования императора Николая I Воронцов был назначен членом Государственного совета. По его проекту Бессарабия стала частью Новороссийского генерал-губернаторства, во главе которого он находился с 1828 по 1844 г.
Уже в чине генерала от инфантерии Воронцов стал участником русско-турецкой войны 1828–1829 гг.; руководил осадой крепости Варна, которая была ему поручена после ранения генерала Меншикова. В начале осады русских войск у крепости насчитывалось всего 10 тысяч человек при 47 орудиях, а с прибытием гвардии — 32 тысячи при 170 орудиях. Большую роль в блокаде Варны сыграл Черноморский флот под командованием адмирала Грейга, который господствовал на морских коммуникациях. Во время осады Варны русской армии пришлось отразить нападение 30-тысячного турецкого корпуса, пытавшегося деблокировать осажденный гарнизон, а 26 сентября был предпринят и штурм укреплений, не доведенный до конца. Несмотря на это, 29 сентября крепость капитулировала. В ней было взято 7 тысяч пленных и 140 орудий. На этом русское командование решило закончить в целом неблагоприятно сложившуюся кампанию. Лишь в следующем году русской армии удалось разбить турецкие войска и склонить Турцию к миру, не принесшему, правда, России особых выгод.
В 1844 г. Воронцов был назначен наместником Кавказа и одновременно главнокомандующим войсками на Кавказе. Прибыв туда весной 1845 г., он начал подготовку экспедиции в Андпю, однако предпринятый им поход на аул Дарго с 6 по 20 июля закончился катастрофой. Аул был взят, но на обратном пути русские войска, двигаясь по труднопроходимой местности и испытывая нужду в продовольствии, подвергались нападениям горцев и понесли тяжелые потери.