明治8年（1875年）12月、熊本鎮台歩兵第14連隊長心得に任じられ、小倉（現・福岡県北九州市小倉北区）に赴任した。不平士族の反乱に呼応する可能性があった山田頴太郎（前原一誠の実弟）が連隊長を解任されたことを受けての人事であった。連隊長心得就任後、実弟の玉木正誼（たまき まさよし、幼名は真人。当時、玉木文之進の養子となっていた）がしばしば乃木の下を訪問し、前原に同調するよう説得を試みた。しかし乃木はこれに賛同せず、かえって山縣に事の次第を通報した。明治9年（1876年）、福岡県秋月（現・同県朝倉市秋月）で旧秋月藩士の宮崎車之助らによる秋月の乱が起きると、乃木は、他の反乱士族との合流を図るため東進する反乱軍の動向を察知し、秋月の北に所在する豊津（現・同県京都郡みやこ町豊津）においてこれを挟撃して、反乱軍を潰走させた。秋月の乱の直後、山口県萩（現・同県萩市）で萩の乱が起こった。この乱の最中、弟の正誼は反乱軍に与して戦死し、学問の師である文之進は自らの門弟の多くが反乱軍に参加したことに対する責任をとるため自刃した。萩の乱に際し、乃木は麾下の第14連隊を動かさなかった。これに対し福原和勝陸軍大佐は乃木に書簡を送り、秋月の乱における豊津での戦闘以外に戦闘を行わず、大阪鎮台に援軍を要請した乃木の行為を批判し、長州の面目に関わると述べて乃木を一方的に非難した。対して乃木は小倉でも反乱の気配があったことなどを挙げて連隊を動かさなかったことの正当性を説明したところ、福原も懸念が氷解し、乃木に激励の手紙を出している。
慶応4年1月（1868年2月）、報国隊の漢学助教となるが、11月（同年12月）には藩命により、伏見御親兵兵営に入営してフランス式訓練法を学んだ。これは、従兄弟であり報国隊隊長であった御堀耕助が、源三に対し、学者となるか軍人となるか意思を明確にせよと迫り、源三が軍人の道を選んだことから、御堀が周旋した結果発令されたという。明治2年7月（1869年8月）、京都河東御親兵練武掛となり、次いで、明治3年1月4日（1870年2月4日）、豊浦藩（旧長府藩）の陸軍練兵教官として、馬廻格100石を給された。そして、明治4年11月23日（1872年1月3日）、黒田清隆の推挙を受けて大日本帝国陸軍の少佐に任官し、東京鎮台第2分営に属した。当時22歳の源三が少佐に任じられたのは異例の大抜擢であった。乃木は少佐任官を喜び、後日、少佐任官の日は「生涯何より愉快だった日」であると述べている。明治4年12月（1872年1月）、正七位に叙された源三は、名を希典と改めた。その後、東京鎮台第3分営大弐心得および名古屋鎮台大弐を歴任し、明治6年（1873年）3月、越前護法大一揆鎮圧に出動する。同年明治6年6月25日には従六位に叙される。明治7年（1874年）5月12日、乃木は家事上の理由から辞表を提出して4か月間の休職に入るが、9月10日には陸軍卿伝令使となった。この職は、陸軍卿（当時は山縣有朋）の秘書官または副官といった役割であった。なお、この時期の乃木は、まっすぐ帰宅することはほとんどなく、夜ごと遊興にふけり、山縣から説諭を受けるほどだった。
前面形状は3000系の曲面構成に対し、製作工程の容易化のために三面折り妻構成の準切妻型とした。3000系では縦並びに配置されていた前照灯と尾灯は横並びに改められたほか、前照灯は前方視認性向上の観点からシールドビーム式を採用した。車体構造は3000系に引き続いて骨組みに普通鋼、外板にステンレス鋼を使用するスキンステンレス車を採用した。車体の補強として設置する「コルゲート」は同系列よりも簡単な形状とした。片側側面に4か所の両開き客用扉を配し、2段式の側窓と細長い戸袋窓がそれぞれドア間に2つ、車端部に1つずつ設けられている。側窓の外枠は2次車まで丸みを帯びたもので、3次車から丸みがなくなった。側扉は戸袋への引き込み事故を防ぐ目的で、窓が極端に小さなデザインのものが営団で初めて採用された。車体は無塗装の金属地肌で、前面・側面とも窓下にラインカラーの帯（東西線はスカイブルー色、千代田線はグリーン色）が巻かれている。昔の等級制を思い出させるという理由で 日比谷線では路線識別帯を採用しなかったが、東西線ではタバコのハイライトの包装紙と同色の「ハイライト・ブルー」を使用した。このほか、千代田線に投入されて東西線に転属した車両の一部は、一時的にグリーン帯の状態で東西線で使われていた（一般公開で展示されていた写真による）。当初の前面識別帯は側面と同じ115mm幅（1次車は80mm幅）であったが、千代田線投入分では1970年（昭和45年）10月からの国鉄常磐緩行線乗り入れ改造時に530mm幅に拡大する改造を実施した。東西線用においても、1971年（昭和46年）11月から1973年（昭和48年）3月にかけて全先頭車の前面帯を530mm幅に拡大した。これは国鉄の保線作業者が曇りの日の作業時に列車接近が分かりづらいとの意見からである。当初の車両番号表記は側面のみ配置し、前面には配置していなかった。ただし、製造途中から連結器横の機器箱にペンキ書きで車両番号が記載され、その後1980年代後半に前面識別帯中央部に車両番号板が設置された。また、1990年代前半からは車掌台側の前面ガラスに編成番号表記が貼り付けされた。1978年（昭和53年）以降、誘導無線の感度向上のため、東西線用では運転席側の端部に誘導無線用アンテナが増設された。