Möllendorff wurde 1701 im Dragonerregiment „von Derfflinger“ der Preußischen Armee angestellt. Mit dem Regiment beteiligte er sich 1702/13 am Feldzug gegen Frankreich und stieg zum Rittmeister auf. Als Major nahm Möllendorff 1715 am Feldzug in Pommern teil, wurde 1717 Oberstleutnant und 1725 Oberst. Er kommandierte dann ab 24. Juni 1731 das Regiment zu Pferde „Graf Truchsess“ und wurde schließlich am 23. September 1734 durch König Friedrich Wilhelm I. zum Chef des Dragonerregiments „von Cosel“ ernannt. Am 21. Juli 1739 folgte seine Beförderung zum Generalmajor. 1741 rückte Möllendorff mit seinem Regiment nach Schlesien und erkrankte dort während des Winterquartiers. Der König stellte ihn daraufhin vom Dienst frei mit der Zusicherung, sein Regiment nicht anderweitig zu vergeben. Am 22. April 1743 wurde Möllendorf mit Patent vom 25. Februar 1742 noch zum Generalleutnant befördert.