칼 구스타브 에밀 만네르헤임 남작
러시아 제국 육군 장교

1887년 7월 말, 만네르헤임은 니콜라이 기병학교 입학시험을 치를 자격을 얻었다는 소식을 들었다. 만네르헤임은 시험을 통과하고 1887년 9월 16일 러시아 차르에 대한 충성맹세를 했다. 만네르헤임은 1889년 학교를 졸업했다. 성적은 10등이었는데, 본래 차석을 할 수 있었으나 술을 마시고 상급장교와 핀란드의 자치권에 대해 싸움을 벌인 일로 미끄러졌다. 만네르헤임은 다시는 과음하지 않겠다고 맹세했다. 만네르헤임은 기병소위로 임관하여 러시아-독일 국경지대 칼리시의 제15용기병연대 알렉산드리스키에 배속되었다.
1891년 1월, 만네르헤임은 상트페테르부르크의 "마리아 표도로브나 황후 폐하의 친위기사연대"로 배속되었다. 이 과정에서 187 센티미터에 달하는 장신의 키가 이득이 되었고, 또한 덕분에 1896년 니콜라이 2세의 대관식 때 잘 보이는 자리에 서기도 했다. 1892년, 만네르헤임의 대모 알프힐드 스칼론 데 콜리그니 백작부인이 러시아-세르비아 혈통의 부유한 귀족 영애와의 결혼을 중매했다. 니콜라이 아라포프 소장의 고아가 된 딸 아나스타샤 아라포바(1872년–1936년)가 그 상대였다. 만네르헤임은 그녀와 결혼하여 슬하에 아나스타시에(1893년–1978년)와 소피에(1895년–1963년) 두 딸을 두었다. 셋째아이는 아들이었는데 사산되었다. 만네르헤임은 1902년부터 아라포바와 별거했고, 1919년 이혼했다.
만네르헤임은 1904년까지 친위기사연대에 소속되어 있었으나 1897년에서 1903년 사이에는 황실 마료 관리 일을 맡았다. 만네르헤임은 말에 대한 전문가로 종마와 육군에서 쓸 수 있는 군마를 구입했다. 1903년, 만네르헤임은 교도대 대장으로 발령받고 기병연대 훈련소의 승마 담당 교관 중 하나가 되었다.
만네르헤임이 아내와 이혼한 뒤 그의 재정적 상황은 악화되었다. 도박에서 돈을 잃으면서 더욱 궁핍해진 만네르헤임은 우울증에 빠졌고 환경의 변화로써 이를 극복하려 했다. 만네르헤임은 1904년 러일전쟁에 자원 참전했다. 1904년 10월, 만주의 제52용기병연대 네진으로 배속되며 중령으로 승진했고, 1905년 봉천 전투에서의 용맹을 인정받아 대령으로 승진했다. 이후 잠시 비정규군사인 홍호자 부대를 지휘하며 내몽골 탐사 임무를 떠나기도 했다.
상트페테르부르크로 귀환한 만네르헤임은 비밀 첩보장교로 투르키스탄을 거쳐 베이징으로 향하는 여행을 가지 않겠냐는 제안을 받았다. 러시아 제국 총참모장 팔리트신 대장은 청나라의 개혁과 근대화 시도에 관한 정확한 현장 첩보를 원했다. 러시아는 중국 서부 청해, 감숙 등지를 침공할 수 있는지 효용성 여부를 알고 싶어했다. 이는 러시아와 영국이 아시아 내륙을 놓고 벌인 "그레이트 게임"의 일부였다. 고민 끝에 만네르헤임은 민족학 수집가로 위장하고 프랑스 고고학자 폴 펠리오의 사마르칸트(당시 러시아령 투르키스탄, 현재 우즈베키스탄령) 원정에 동행했다. 1906년 7월 안디잔의 카스피 철도 종점역에서 원정이 시작되었지만 만네르헤임은 중국 신장의 카스가얼로 가는 도중에 보급 문제에 관하여 펠리오와 한바탕 싸운 뒤 원정 기간의 거의 대부분을 혼자 다녀야 했다.
우선 만네르헤임은 영국과 일본 간첩들을 찾아내기 위해 카자크 안내인, 중국어 통역사, 위구르인 요리사 등을 대동한 작은 대열을 이끌고 호탄으로 향했다. 카스가얼로 돌아온 뒤에는 북쪽으로 향해 톈산산맥을 넘어 고갯길을 측량하고 칼미크인, 카자흐인, 키르기즈인들의 중국 한족들에 대한 태도를 살폈다. 만네르헤임은 신장성의 성도 우루무치에 도착한 뒤 동쪽으로 향하여 투루판, 하미, 둔황을 지나 감숙성에 이르렀다. 하서주랑을 통해 만리장성을 따라갔고, 정체불명의 위구족을 조사했다. 감숙성 성도인 란저우에 도착한 만네르헤임은 남쪽으로 길을 돌려 티베트로 향했다가 라브랑 사원에서 제노포빅한 승려들에게 돌을 맞았다.
만네르헤임은 중원의 서안, 정주, 개봉을 거쳤다가 열차를 타고 산서성의 성도 태원으로 향했다. 불교의 성산 우타이 산을 오르다가 티베트 독립운동을 막 시작할 무렵의 달라이 라마 13세를 만났다. 만네르헤임은 티베트의 법왕에게 중국인들로부터의 호신용으로 쓰라고 자기 피스톨을 선물로 주었다. 이후 만네르헤임은 만리장성 너머로 가서 전통적으로 몽골 유목민들의 영역인 대초원을 밟았다. 내몽골의 수도 쾨케호타에 도착한 만네르헤임은 부패한 총독이 한족 농민들에게 몽골인의 방목지를 넘겨주며 몽골을 식민화하고 있어 몽골인들 사이에 반란의 기운이 감도는 것을 감지했다.  주의 수도인 란저우시에서, 만네르헤임은 남쪽 티베트 영토로 향하여 라브랑의 사원을 방문했는데, 그곳에서 제노포빅 승려들에게 돌을 맞았다. 최종적으로 1908년 7월 만네르헤임은 목적지인 북경에 도착하여 거기서 첩보 보고서를 작성했다. 일본을 들렀다가 시베리아 특급열차를 타고 상트페테르부르크로 귀환했다. 만네르헤임의 보고서는 청나라의 교육, 군제개혁, 한족의 이민족 식민화, 광공업, 철도부설, 일본의 영향력, 아편 소비 등에 이르기까지 중국의 근대화 상황을 매우 상세하게 다루었다.  만네르헤임의 보고서는 신장이 중국과 거래할 수 있는 대상으로 사용될 수 있다는 점에서 러시아의 신장 침공의 전술적 사용처를 논하였다.
1909년 러시아로 귀환한 만네르헤임은 폴란드 민스크마조비에츠키에 주둔하고 있는 제13창기병연대 블라디미르의 연대장으로 임명되었다. 이듬해 만네르헤임은 소장으로 진급하며 별을 달았고 바르샤바에 주둔한 "황제 폐하의 경호친위창기병연대" 연대장으로 임명되었다. 1912년, 만네르헤임은 러시아 황실 수행단의 일원이 되었고 그 이듬해 독립친위기병여단 여단장으로 임명되었다.
제1차 세계 대전 개전 시점에 만네르헤임은 친위기병여단 여단장을 맡고 있었으며, 오헝 제국 및 루마니아 전선에서 싸웠다. 1914년 12월, 오헝 제국군과의 싸움에서 두각을 나타낸 공로로 4등 스뱌토고 게오르기 훈장을 받았다. 이 훈장을 받은 뒤 만네르헤임은 “이제 편히 죽을 수 있겠다”고 말했다. 1915년 3월, 만네르헤임은 제12기병사단 사단장으로 임명되었다.
만네르헤임은 1917년 초 휴가를 받아 핀란드와 상트페테르부르크를 들렀다가 2월 혁명이 터지는 순간을 목격했다. 전선으로 귀환한 뒤 만네르헤임은 4월에 중장으로 승진했고, 그해 여름 제6기병군단 군단장으로 임명되었다. 그러나 만네르헤임은 자신을 혁병 비지지자로 간주하는 러시아 공화국 신정부에 정나미가 떨어져 버렸다. 9월, 만네르헤임은 낙마 후유증으로 골병이 들었음을 이유로 모든 보직에서 물러났다. 예비역이 된 만네르헤임은 오데사에서 요양을 하다가 아예 퇴역을 하고 핀란드로 귀국하기로 마음먹었고, 그해 12월에 그렇게 했다.