Ahmadinejad, som tjänstgjorde på två villkor mellan 2005 och 2013, lämnade in pappersarbete för den 19 maj-undersökningen vid inrikesdepartementet i Teheran.
Förra året varnade Ayatollah Ali Khamenei honom för att ett sådant drag var "inte i hans och landets intresse".
Men Ahmadinejad berättade för journalisterna på tisdagen att det hade varit "bara råd".
Associerade pressjournalister som bevittnade Ahmadinejad-registret på tisdagen sade att valtjänstemän var "förhörda" när han lämnade in pappersarbetet.
President Hassan Rouhani, en moderat som förhandlade fram ett kärnkraftsavtal med världsmakterna 2015, är ännu inte registrerad men förväntas i stor utsträckning söka en andra mandatperiod.
Mer än 120 personer, däribland sex kvinnor, lämnade in sina namn den första anmälningsdagen på måndagen, enligt lokala medier.
När processen avslutas på lördag kommer de blivande kandidaterna att granskas för sina politiska och islamiska kvalifikationer av Guardian Council.
Det officiella organet kommer att offentliggöra en slutlig förteckning över godkända kandidater den 27 april.
Efter att ha lämnat in sina papper sade Ahmadinejad att han bara hjälpte sin tidigare vice ordförande, Hamid Baghaei, som registrerade sig tillsammans med honom.
Mahmoud Ahmadinejads beslut att registrera sig är den största överraskningen hittills i presidentvalet.
Ayatollah Khamenei hade antytt att han inte ville att Ahmadinejad skulle stå upp, och det är ovanligt att någon i det politiska etablissemanget går emot den högste ledarens önskemål. De som gör det tenderar att betala för det.
Hardliners har gjort det klart att de är arga och besvikna. Några har kallat Ahmadinejads drag "oacceptabelt" och sade att det kommer att innebära slutet på hans politiska karriär.
Alla potentiella kandidater måste granskas av Guardian Council och många observatörer tror att Ahmadinejad inte kommer att klara detta hinder.
Men om han gör det, kommer hans inträde i loppet troligen att ta bort en del av glansen från hardliners föredragna kandidat, Ebrahim Raisi.
Det kommer också att skada president Rouhani - särskilt med fattigare väljare som ännu inte har fått känna av effekterna av utlovade ekonomiska förbättringar efter kärnkraftsaffären, och som skulle kunna påverkas av Ahmadinejads populistiska retorik och löften om att få tillbaka bidrag för att hjälpa människor att hantera inflationen.
"Jag registrerade mig bara för att stödja Baghaei och jag kommer att agera enligt [suprem] ledarens råd," sade han. "Jag ska tjäna mr Baghaei med all min kraft."
Han tillade: " En del människor säger att det [suprema ledarens] råd var avsett att helt förbjuda [mig] att springa, men det som ledaren sade var bara råd.... Jag är fortfarande engagerad i mitt moraliska löfte."
Ayatollah Khamenei, som har den yttersta makten över Irans civila och religiösa angelägenheter, sade att han hade sagt till honom att inte stå upp eftersom det skulle "skapa bipolära motsatser och splittringar i landet som jag anser är skadligt".
Det omtvistade omvalet av Ahmadinejad 2009 utlöste de största protesterna i Iran sedan den islamiska revolutionen 1979.
Miljontals människor krävde en re-run, men den högsta ledaren insisterade på att resultatet var giltigt och beordrade en stor repression mot oliktänkande som såg dussintals oppositionsanhängare döda och tusentals kvarhållna.
Analytiker sade Ahmadinejad kanske försöker sätta press på Guardian Council att inte diskvalificera Mr Baghaei, som det gjorde med hans tidigare stabschef 2013.
Mr Baghaei hölls häktad i sju månader 2015 på grund av ospecificerade anklagelser. I mars sade rättsväsendet att fallet fortfarande var öppet, rapporterar Reuters nyhetsbyrå.
F.d. president Mahmoud Ahmadinejad har anmält sig som kandidat i Irans presidentval, trots att han inte har blivit tillsagd av den högste ledaren.