1704, im Spanischen Erbfolgekrieg, kämpfte er als Kornett (Reiteroffizier) bei der Belagerung von Turin. 1712 avancierte der Graf zum kaiserlichen Kammerherrn, von 1716 bis 1732 diente er als Obristleutnant bei den Montecuccoli-Kürassieren (altes Kürassierregiment Nr. 18), bei denen er den 6. Österreichischen Türkenkrieg mitmachte und 1716 in der Schlacht von Peterwardein, sowie 1717 bei Belgrad focht. Als Kurier brachte er die bei Belgrad erbeuteten türkischen Feldzeichen nach Wien. 1724 wurde er Oberst, 1732 ernannte man Limburg-Stirum zum kaiserlichen Geheimrat. Er erhielt 1733 die Beförderung zum Generalwachtmeister, 1735 zum Feldmarschallleutnant und Kommandeur des Dragoner-Regiments von Czeicka. In dieser Zeit erwarb er aus dem mütterlichen Besitz auch die Herrschaft Raesfeld. 1734 und 1735 kämpfte der Offizier im Polnischen Thronfolgekrieg unter Prinz Eugen am Rhein. 1737–1739 nahm Otto Ernst Leopold von Limburg-Stirum am 7. Österreichischen Türkenkrieg teil, wurde 1739 General der Kavallerie und focht mit großer Tapferkeit in der unglücklichen Schlacht bei Grocka. Im selben Jahr übernahm er die Stelle eines Festungskommandanten von Buda. Als solcher verstarb er dort 1754.