Již jako velmi mladý osvědčil Filip své vojenské schopnosti a udatnost ve válce o falcké dědictví, kterou vyvolal jeho strýc Ludvík XIV., když jménem své švagrové, Filipovy matky Alžběty Šarloty Falcké (Liselotte) vznesl nárok na falcký trůn, uprázdněný po smrti jejího bratra Karla, falckého kurfiřta, který zemřel bez potomků. V sedmnácti letech se Filip zúčastnil obléhání Mons. Bojoval také v bitvách u Steenkerque (1692) a Neerwinden (1693) a byl přítomen obléhání Namuru (1692). Po ukončení války v roce 1697 se rozhodl věnovat svému oblíbenému studiu přírodních věd. Do služeb francouzské armády se ale vrátil v době války o dědictví španělské. V roce 1706 byl jmenován vrchním velitelem armády v Itálii, kde si však nevedl dobře. Nedokázal si zjednat autoritu u svých podřízených a jeho válečnické umění se ukázalo zoufale nedostatečné: 7. září byly jeho hlavní síly navzdory značné početní i vybavenostní převaze rozdrceny v bitvě u Turína, v níž byl on sám vážně zraněn. Po vyléčení se přesunul do Španělska, kde rovněž převzal vrchní velení (1707–1708). K Ludvíku XIV. se ale donesly zprávy, že se Filip II. Orleánský chce údajně zmocnit španělského trůnu, a to na úkor Ludvíkova vnuka Filipa (pozdější španělský král Filip V.). Rozezlený Ludvík XIV. svého synovce okamžitě odvolal z velení armády. Na dlouhou dobu tak Filip II. upadl u dvora v nemilost. Král Ludvík XIV. mu ale ke konci svého života odpustil – ve své závěti z roku 1715 jej dokonce povolal do čela regentské rady, která měla po jeho smrti spravovat Francii až do chvíle, kdy se bude moci vlády ujmout tehdy ještě nezletilý Ludvík XV.