В 1847 г. переведен на Кавказ офицером для особых поручений при наместнике гр. М. С. Воронцове, о котором вспоминал: «Ему я обязан всем. Эти десять лет при нем были для меня школой жизни… Приходилось бывать в обществе, не хотелось быть хуже других. Стал учиться, читать, думать, – не забывал и своего специального дела». В возрасте 22 лет Лорис-Меликов сражается в Малой Чечне, в Дагестане, участвует в прокладке дорог, устройстве огневых точек. Его непосредственный начальник (с 1848 г.) генерал-адъютант князь Аргутинский-Долгоруков высоко оценивает службу молодого офицера, решает поручать Лорис-Меликову сложные дела.

23 ноября 1851 г. Хаджи-Мурат – один из ближайших соратников Шамиля – перешел на сторону русских. При решении вопроса: кто и как будет его охранять, было принято решение, о котором М. С. Воронцов сообщал военному министру князю А. И. Чернышеву, что 8 декабря 1851 г. Хаджи-Мурат прибыл в Тифлис и поручен ротмистру Лорис-Меликову: «Отличному и очень умному офицеру, говорящему по-татарски, уже знающему Хаджи-Мурата, который, кажется, тоже вполне доверяет ему». В частности, Лорис-Меликов сообщил князю Воронцову, который, в свою очередь, доносил князю Барятинскому: «Чрезвычайно важным нахожу один пункт, о котором говорит Лорис, именно, что Хаджи-Мурат, по-видимому с добрыми намерениями, советует не дозволять выход к нам некоторых почетных чеченцев… Я, напротив, следовал всегда системе покровительства всякому, желающему выселиться к нам, и не мог отказаться от этой системы. Нужно принять соответствующие меры, чтобы всякий желающий передаться нам был принят…»

Беседы с Хаджи-Муратом сами по себе были весьма полезными для понимания сущности войны на Кавказе, однако Лорис-Меликов просил дать ему возможность проявить себя в сражениях. 14 января 1852 г. М. С. Воронцов писал М. Т. Лорис-Меликову: «От души благодарю тебя еще за усердную и полезную службу твою и могу тебя утвердить. Что услуга, которую ты теперь нам оказываешь, не останется без должного вознаграждения. Согласно твоему желанию, я пишу сегодня к князю Барятинскому о востребовании тебя в отряд, где тебе можно будет остаться несколько дней для участия в боевых делах».

М. Т. Лорис-Меликова отозвали для сражений в зимней экспедиции – боевых действиях в районе Мескер-Юрту. Отряды горцев успешно атаковали русских. Тогда включилась артиллерия, и горцы начали отступать, «а стремительная атака казаков под командой гвардии ротмистра Лорис-Меликова, – как отмечалось в приказе от 26 февраля 1852 г. по Отдельному кавказскому корпусу, – довершила поражение неприятеля».

В тот же день наместник на Кавказе и главнокомандующий лично поздравил самого героя: «Я пишу тебе с отъезжающим от нас (из Тифлиса) фельдъегерем, чтобы сказать тебе, любезный Лорис-Меликов, что я был очень обрадован известием о прекрасном твоем кавалерийском деле, в котором ты так храбро с молодцами казаками атаковал кавалерию горцев…» В таких условиях быстро происходило повышение по службе и награды следовали одна за другой.

В сентябре 1848 г. поручик «за отличие, оказанное в делах с горцами», награждается орденом Святой Анны 4-й степени с подписью: «За храбрость». В 1849 г. Лорис-Меликов произведен в штаб-ротмистры. В августе 1850 г. новый орден: Святой Анны 3-й степени с мечами и бантом. В июле 1851 г. Лорис-Меликов становится ротмистром. В 1852 г. офицер награждается еще двумя орденами: Святой Анны 2-й степени с мечами и Святой Анны 2-й степени с Императорской короной. За отличие в сражении под Баш-Кадыкмаром против турок награжден золотой саблей с подписью: «За храбрость». За успешные действия в борьбе с горцами Лорис-Меликова произвели в полковники.

В Крымскую войну (1853–1856 гг.) М. Т. Лорис-Меликов на кавказском театре военных действий. Турецкой армии Абди-паши (около 100 тысяч человек) противостояли малочисленные гарнизоны. Война началась 4 (16) октября 1853 года, а 29 уже октября у местечка Карачах Лорис-Меликов во главе казачьего эскадрона попал под обстрел противника. После этого сражения он непрерывно находился в схватках, проявлял мужество и находчивость. В апреле 1855 г. М. Т. Лорис-Меликов был назначен «состоять для особых поручений» при наместнике на Кавказе и главнокомандующем Отдельным Кавказским корпусом генерале Н. Н. Муравьеве. Лорис-Меликову подчинялся отряд в «три сотни охотников», состоящий из людей разных национальностей: русских и турецких армян, грузин, жителей мусульманских провинций. Они отличались отвагой, расторопностью, знанием местности, умением добывать информацию о противнике. Успешные военные действия, руководимые Лорис-Меликовым, способствовали началу главной операции – взятию крепости Карс. Началась осада Карса. Под натиском русских защитники крепости вынуждены были 16 ноября 1855 г. капитулировать. В результате был захвачен весь Карский пашалык (провинция, подчиненная власти паши). Теперь она стала Карской областью. Ее начальником был назначен Лорис-Меликов.

Предстояла сложная административно-хозяйственная деятельность на турецкой территории. Удалось установить отношения с турецкими чиновниками; начали действовать канцелярия, казначейство, полицейские и почтовые ведомства. По словам Н. Н. Муравьева, благодаря умелым распоряжениям Лорис-Меликова «порядок скоро водворился, как в области, так и в самом городе Карсе. Откупные, существовавшие при Турецком правлении, были приведены в известность и стали давать доходы, в числе коих важнейший получался от соляных копей, приобретенных нами на берегах Аракса, вблизи Кагызмана». Корректные распоряжения Лорис-Меликова проявились и в управлении духовной сферой. Выяснилось, что мечети, занятые во время военных действий под складские помещения, потеряли свое культовое значение. Русских обвинили в осквернении мусульманских святынь. Действовать пришлось оперативно. Начальник области собрал мулл. После чего мечети были срочно освобождены от посторонних предметов, что позволило восстановить службу.