Το 1912, λίγο πριν την έκρηξη του Πρώτου Βαλκανικού Πολέμου, ο Βενιζέλος έστειλε τον Μεταξά στη Σόφια για να διαπραγματευτεί τη στρατιωτική συνθήκη μεταξύ της Ελλάδας και της Βουλγαρίας. Μετά την υπογραφή της συνθήκης αναχώρησε για το Βελιγράδι και τέλος στις 17 Οκτωβρίου έφτασε στη Λάρισα, όπου είχε εγκατασταθεί το Γενικό Επιτελείο. Ο Ιωάννης Μεταξάς ήταν τέταρτος στην ιεραρχία του επιτελείου, αλλά μπορεί να θεωρηθεί ως ο εγκέφαλός του. Συμμετείχε σε όλες τις μάχες του Πρώτου Βαλκανικού Πολέμου, ενώ μαζί με τον Δουσμάνη διαπραγματεύτηκε την παράδοση της Θεσσαλονίκης από τον Ταξίν Χασάν Πασά. Το σχετικό πρωτόκολλο υπεγράφη στις 26 Οκτωβρίου 1912 δια του οποίου παραδόθηκε ο Τούρκος στρατηγός Ταξίν Χασάν Πασάς με όλο το σώμα στρατού που διοικούσε. Τον Δεκέμβριο του 1912 ο Μεταξάς μετέβη στο Λονδίνο ως στρατιωτικός σύμβουλος του τότε πρωθυπουργού Ελευθερίου Βενιζέλου προς διαπραγμάτευση των όρων της σύναψης ειρήνης με την Τουρκία. Όμως στις 16 Ιανουαρίου του 1913 ο Μεταξάς ανακλήθηκε από την κυβέρνηση και στάλθηκε αμέσως στην Ήπειρο, όπου ο στρατός αντιμετώπιζε προβλήματα. Θεωρείται ο εμπνευστής και ο δημιουργός του σχεδίου κατάληψης του Μπιζανίου, που περιέλαβε τον μεγαλύτερο μέχρι τότε βομβαρδισμό της ιστορίας, ενώ ήταν και αντιπρόσωπος των Ελλήνων στην παράδοση των Ιωαννίνων. Τον Απρίλιο του 1913 προήχθη στο βαθμό του Ταγματάρχη λόγω αρχαιότητας και διορίστηκε Διοικητής του Επιτελείου. Από αυτή τη θέση πήρε μέρος στον Δεύτερο Βαλκανικό Πόλεμο, μετά δε το πέρας αυτών των πολέμων προήχθη σε Αντισυνταγματάρχη και τοποθετήθηκε ως Διευθυντής των Επιχειρήσεων του Γενικού Επιτελείου Στρατού, καθώς και ως Διευθυντής της Ανώτερης Στρατιωτικής Ακαδημίας. Λίγο αργότερα, τον Οκτώβριο του 1913, παρασημοφορήθηκε από τον Βασιλιά με το Χρυσούν Σταυρόν του Σωτήρος. Κατά τη διάρκεια της κρίσης με την Τουρκία το καλοκαίρι του 1914 για το ζήτημα των νήσων του Ανατολικού Αιγαίου, ο Μεταξάς συνέταξε ένα πιθανό σχέδιο αιφνίδιας απόβασης και κατάληψης των Στενών των Δαρδανελλίων.