Lettow-Vorbeck trat am 25. April 1857 in das 4. Infanterie-Regiment der Preußischen Armee ein und avancierte Mitte Januar 1859 zum Sekondeleutnant. Nach einer Verwendung als Bataillonsadjutant absolvierte er die Kriegsakademie und nahm 1866 während des Krieges gegen Österreich an den Kämpfen bei Trautenau, Königgrätz und Tobitschau teil. Nach dem Krieg stieg Lettow-Vorbeck zum Premierleutnant auf und war in den Großen Generalstab kommandiert. Im Krieg gegen Frankreich kam er 1870 mit seinem Regiment bei der Einschließung und Belagerung von Metz zu Einsatz, bis Lettow-Vorbeck in der Schlacht von Noisseville schwer verwundet wurde. Als Hauptmann und ausgezeichnet mit dem Eisernen Kreuz II. Klasse lehrte er nach dem Friedensschluss von 1872 bis 1877 Taktik an der Kriegsschule Anklam. Daran schloss sich eine Verwendung als Kompaniechef im 4. Garde-Grenadier-Regiment Königin in Koblenz an. Lettow-Vorbeck stieg Mitte Oktober 1879 zum Major auf und kam im November 1881 als etatsmäßiger Stabsoffizier in das 7. Pommersche Infanterie-Regiment Nr. 54 in Kolberg. Zunächst wurde er dann am 12. Juni 1883 in den Nebenetat des Großen Generalstabes kommandiert und einen Monat später unter Stellung à la suite seines Regiments hierher versetzt. Am 17. Januar 1884 kam er in den Großen Generalstab, erhielt dort am 22. März 1886 den Rang und die Gebührnisse eines Abteilungschefs und avancierte im März 1887 zum Oberstleutnant. Zugleich fungierte Lettow-Vorbeck als Lehrer an der Kriegsakademie. Am 16. Februar 1889 folgte seine Ernennung zum Kommandeur des Oldenburgischen Infanterie-Regiments Nr. 91. Unter Belassung seiner bisherigen Uniform wurde Lettow-Vorbeck am 24. März 1890 zu den Offizieren von der Armee versetzt und ihm am 17. April 1890 der Abschied mit der gesetzlichen Pension bewilligt.