Россия последовательно осуществила одну из самых эффективных военных реформ в истории России. Военная политика была направлена на повышение боевой готовности вооруженных сил, проведение преобразований в армии с учетом уроков Русско-японской войны, возрождение военно-морского флота, укрепление офицерского корпуса, обеспечение социальной защиты военнослужащих.
Царь полностью реорганизовал в 1905 – 1908 годах управление вооруженными силами. Было учреждено самостоятельное Главное управление Генерального штаба (в 1908 году в составе Военного министерства). В ведение Генштаба были переданы основные вопросы подготовки страны к войне. По указу императора были созданы Совет государственной обороны (1905), Высшая аттестационная комиссия (1906), Морской генеральный штаб (1906). В 1909 – 1912 годах приняты новые уставы и наставления, в том числе Устав полевой службы.
Царь был инициатором введения в европейской части страны территориальной системы комплектования, создания корпусных, дивизионных и полковых районов пополнения, что существенно облегчило мобилизацию. В русской армии были упразднены слабые в боевом отношении резервные и крепостные войска, составлявшие свыше 15% общей ее численности.
Правительством предпринимались решительные меры по усилению артиллерии. В 1909 – 1910 годах была создана корпусная и полевая тяжелая артиллерия, на вооружение войск приняты более совершенные 122-мм и 152-мм гаубицы, 107-мм скорострельные пушки.
Император значительно усилил инженерные (саперные, телеграфные, понтонные), железнодорожные войска, войска связи, на вооружение которых начали поступать новые понтоны и мостовые конструкции, средства инженерного заграждения, путеукладчики, радиостанции.
В 1903 году была построена первая российская подводная лодка «Дельфин» по проекту И. Бубнова. В 1912 году началось создание подводных дизельных лодок типа «Барс». Первое соединение – бригада подводных лодок была сформирована в 1911 году. Перед Первой мировой войной Россия имела 43 подводные лодки, которые впоследствии потопили около 60 транспортных кораблей противника.
Первый в мире подводный минный заградитель «Краб» был построен в России в 1915 году по проекту М. Налетова.
Начальник германского Главного штаба генерал фон Мольтке в 1914 году так оценивал результаты военной реформы в русской армии: «Боевая готовность России со времен Русско-японской войны сделала совершенно исключительные успехи и находится ныне на никогда еще не достигавшейся высоте».
С целью бесперебойного обеспечения воинских перевозок в течение 1916 – 1917 годов было сооружено 3150 верст (одна верста – 1 066,8 м) вторых путей, развито 10 узловых станций.