1915年6月、ミハイルの部隊は劣勢に立たされ戦線を後退し、同月に死去したコンスタンチン大公の葬儀に参列出来なかった。ミハイルはこれを後悔したが、ナターリアは「葬儀のために軍務を放棄する方が間違っている」と夫を慰めた。7月にジフテリアに感染するが、間もなく回復している。戦況悪化を受け、8月にニコライ2世が全軍総司令官に就任し親征を始めるが、この動きは将軍たちからは歓迎されなかった。10月、ミハイルはようやくニコライ2世から資産を返却され、1916年2月には第2騎兵師団長に任命された。同年7月に中将に昇進するが、他の大公たちと異なり皇帝の侍従武官に任命されないなど不当な扱いを受けた。夏にはブルシーロフ攻勢が行われたが、ロシア軍はパーヴェル大公の無策により甚大な被害を被った。対照的にミハイルの部隊は彼の指揮下で戦功を挙げ、二等聖ウラジーミル勲章を授与されると同時に皇帝の侍従武官に任命された。しかし、戦争の長期化はミハイルとナターリアの会う時間を奪った。同年10月、ミハイルは胃潰瘍を患い、クリミアで休暇を取るように命じられた。
第一次世界大戦が勃発すると、ミハイルはニコライ2世に対し、「ロシアに戻り軍務に復帰したい」と手紙を送った。ニコライ2世は希望を受け入れ、ミハイルはノルウェー・スウェーデン・フィンランド大公国を経由してペトログラード（サンクトペテルブルクから改名）に戻った。ミハイルはサセックスに新たに土地を購入し、以前に契約した邸宅の賃貸期間終了と同時にサセックスで暮らすことを考えていた。そのため、調度品などをサセックスの邸宅に移し、以前の邸宅はイギリス軍に提供した。ナターリアがロマノフ家の宮殿に住むことを許されていなかったため、ミハイルはガッチナの別荘で暮らすことにした。軍に復帰したミハイルは少将に昇進し、北カフカーズの6つの民族から編成されたカフカーズ土着騎兵師団（別名「野生師団」）の師団長に任命された。師団は志願兵のみで編成され強力な戦闘力を発揮したが、異なる民族の集団のため統制を執ることが難しかった。ミハイルは部隊を的確に統率し、1915年1月14日から15日にかけてカルパチア山脈での戦闘に勝利し、四等聖ゲオルギー勲章を授与された。同時期、ミハイルは「息子ゲオルギーを認知し、自分が死んだ際には財産を譲りたい」という請願をニコライ2世に対して行った。ニコライ2世はミハイルの戦時中の武勲により、3月26日の勅令でゲオルギーを伯爵に叙し、ナターリヤにも「伯爵夫人」の称号を与えた。
ミハイルは他の皇族と同じくロシア帝国陸軍に入隊し、砲術学校を卒業した1897年に親衛騎砲隊に配属された。1899年に次兄ゲオルギー大公が急死すると帝位継承権第一位となったが、ツェサレーヴィチの称号は与えられなかった。これはニコライ2世には娘（オリガ皇女、タチアナ皇女、マリア皇女）しかおらず、後継者たる男子がいなかったための処置であり、1900年にアレクサンドラ皇后が妊娠した際には男子が生まれることを強く望んだ。この際、アレクサンドラは夫が急死した場合は摂政として胎児に代わり政務を執ることを提案したが、政府に反対されミハイルが決定通り帝位継承者と定められた。しかし、周囲の期待とは裏腹に、アレクサンドラが生んだのは女子（アナスタシア皇女）だった。1901年にヴィクトリア女王が崩御した際にはロシア代表として国葬に参列してバス勲章を授与され、翌1902年のエドワード7世の戴冠式にも参列してガーター勲章を授与された。同年6月に騎兵中隊長に任命され、ガッチナに配属される。ミハイルは国内最大規模の砂糖精製工場を所有し、ポーランドに広大な領地を所有し経済的にも自立していた。1904年8月12日、ニコライ2世に念願の男子（アレクセイ皇子）が誕生したことに伴い、帝位継承権第一位の座から退くことになった。しかし、ミハイルはニコライ2世が死去した際にはアレクサンドラと共に共同摂政を務める権利が認められた。
1914年8月4日、大英帝国が中央同盟に宣戦布告を行う。この頃、ブラウンは英国キャンベリーの参謀学校にRCRの大尉として在籍していた。開戦から20日後の1914年8月24日、彼は軍組織の兵站に関する問題を解決する為にカナダ本国に呼び戻され、英国にて編成されたCEFの第1カナディアン師団の為に物資の供給を行った。9月25日には同師団の副参謀長補(Deputy Assistant)及び主計総監(Quartermaster General)に命ぜられる。CEFの第一次先遣隊、すなわち31500人の武装した将兵と7600以上の車両及び馬は、ブラウンによる指揮の下で第28輸送船団により9月26日に英国へと輸送された。ブラウンは第一次世界大戦中、CEFの兵站参謀として勤務し、1916年5月には一時的にではあるがRCR所属の中佐に任命されている。第1カナディアン師団に所属した間に、彼は西部戦線におけるカナダ軍の大規模な作戦のほとんどに参加した。すなわち第二次イーペル会戦、ソンムの戦い、ヴィミー高地の戦い、第三次イーペル会戦、そして第一次世界大戦の決着をつけた百日攻勢である。1916年後半から1917年初頭まで、重病の為にイギリス本土で療養を行った。1918年11月に休戦協定への署名が行われた後も、ブラウンは陸軍に残留して任務に当たった。彼の功績に対し、殊勲章(Distinguished Service Order)が1916年1月14日に、柏葉敢闘章(mentioned in dispatches)が1916年1月1日、1917年5月28日、1918年5月18日、1918年12月31日、1919年7月11日の5回、聖マイケル・聖ジョージ勲章が1918年3月6日にそれぞれ贈られている。