Шепелев завършва Николаевското инженерно училище през 1859 година като инженер-прапоршчик. Служи последователно в сапьорен батальон и в гренадирски полк. Участва в потушаването на Полското въстание от 1863–1864 година. По-късно постъпва в Николаевската генералщабна академия и я завършва с чин щабс-капитан. От края на 60-те години Шепелев служи в азиатския отдел на главния щаб на руската армия. В началото на 70-те събира сведения за щаба от Туркестан, Киргизстан и други части на Централна Азия, завоювани от руската армия.