V říjnu 1891 vstoupil do vojenské akademie ("École spéciale militaire") v Saint-Cyru, kterou vystudoval v roce 1893 a jako nejlepší student ze 449 žáků ročníku nastoupil do služby k Třetímu pluku alžírských střelců ("3e régiment de tirailleurs algériens"), poté sloužil topografické brigády v Tunisku, kde využil svůj talent pro kreslení. V roce 1899 se dostal na Válečnou akademii ("École supérieure de guerre") jako osmý nejlepší žák při přijímacích zkouškách. Na této škole ho učil pozdější maršál Ferdinand Foch. Tuto školu vyšel v roce 1902 se známkou "tres bien", "velmi dobře". Byl druhým nejlepším žákem ročníku. V roce 1900 vstoupil do štábu XV. armádního sboru ("15e Corps d'Armée"), odkud si ho v březnu 1914 vybral do generálního štábu generál Joffre a Gamelin stal se jeho pobočníkem. V roce 1906 vydal Gamelin své první dílo – knihu "Filozofické studie o válečném umění" ("Étude philosophique sur l’Art de la Guerre") a po jejím vydání byl považován za jednoho z nejlepších vojenských teoretiků své doby. Po vstupu Francie do první světové války na začátku srpna 1914 se stal velitelem 3. brigády, s níž se zúčastnil první bitvy na Marně a v prosinci 1916 byl za své zásluhy na válečném poli povýšen do hodnosti brigádního generála ("Général de brigade"). V červenci 1916 se ještě ve funkci podplukovníka zúčastnil bitvy na Sommě. Ve svých 44 letech byl nejmladším francouzským brigádním generálem. Svým vystupováním si brzy získal velikou popularitu veřejnosti.