После её окончания Владимир Сухомлинов 26 августа 1865 был зачислен юнкером во 2-е военное Константиновское училище. Но уже 1 сентября того же года, т. е. менее чем через неделю, его перевели в Николаевское кавалерийское училище [192, с. 703]. Сухомлинов сообщает в воспоминаниях, что перевод был осуществлен согласно его желанию [172, с. 13]. С этого времени Владимир Сухомлинов был связан с конницей и лошадями, любовь к которым он пронёс через всю жизнь.
В 1867 г. Владимир Сухомлинов был выпущен из Николаевского училища корнетом в лейб-гвардии Уланский Его Величества полк, размещенный в Варшаве. Прослужив там четыре года, он в 1871 г. поступил в Николаевскую академию Генерального штаба. Для непривилегированного офицерства тогда это был единственный способ сделать карьеру в мирное время. Корнет Сухомлинов занимался в Академии так усердно, что однажды на сдаче экзамена по артиллерийскому делу, уже получив высший балл, от сильнейшего переутомления потерял сознание.
На третьем году обучения поручик Сухомлинов блестяще защитил три военно-исторических исследования. Одно из них было посвящено неудачному вторжением англичан в Эфиопию (1867–1868 гг.), другое – сравнению продовольственного снабжения в русской, германской, австрийской и французской армиях. Третье исследование носило стратегический характер. В нём молодой офицер развивал идею Обручева о вторжении русской кавалерии в Германию после начала предполагаемой войны с ней с целью разрушить немецкие железные дороги и, тем самым сорвать быструю мобилизацию армии противника.
На защите этого доклада присутствовал командующий войсками гвардии и Петербургского военного округа великий князь Николай Николаевич. В историю он вошёл как Николай Николаевич «старший», в отличие от своего сына, великого князя Николая Николаевича «младшего». Перед началом доклада Николай Николаевич (старший) подошёл к взволнованному поручику как к старому знакомому и ободрил его несколькими ласковыми словами. Защита прошла прекрасно, и великий князь остался доволен [172, с. 16–18].
После выпуска молодой офицер стал подчиненным великого князя: он был назначен старшим адъютантом штаба 1-й гвардейской кавалерийской дивизии и нёс службу в Петербурге [17, с. 18–19]. Его первым важным поручением было в ходе лагерного сбора в Красном Селе сопровождать великого князя Николая Николаевича (старшего) и записывать все его устные замечания. В форме бюллетеня все это печаталось и рассылалось в войсковые части. В результате составился целый сборник руководящих указаний командующего округом [172, с. 20].
Великий князь был чрезвычайно доволен своим новым сотрудником и не уставал нахваливать его в беседах со знакомыми. Молодой рыжеволосый офицер с добродушным лицом не только прекрасно владел пером, но был ещё и прекрасным рассказчиком и к тому же отменным карикатуристом. Однажды он нарисовал смешной шарж на популярного теоретика военного дела генерала М. И. Драгомирова, который делал доклад во дворце великого князя Николая Николаевича. Рисунок показали генералу, но тот не обиделся, а лишь посмеялся и пожелал познакомиться с автором. Так завязалась дружба Сухомлинова с Драгомировым [172, с. 21].
В 1877 г. началась Русско-турецкая война. Великий князь Николай Николаевич был назначен главнокомандующим русской армией на Балканском фронте. Сначала Сухомлинов находился при нём. Когда русские войска, форсировав Дунай, заняли древнюю столицу Болгарии – Тырново – великий князь Николай Николаевич дал задание своему молодому помощнику наладить гражданское управление в городе, что тот с успехом и сделал.
Поручения главнокомандующего выполнял и его сын – Николай Николаевич (младший). Подобно деду, царю Николаю I, он отличался громадным ростом и на коне смотрелся не очень эффектно. Поэтому его отдали в Николаевское инженерное училище. Николай Николаевич (младший) окончил его в 1873 г. и сразу поступил в академию Генерального штаба. Так что хотя великий князь был моложе Сухомлинова на 8 лет, из Академии он вышел лишь на два года позднее.
По воспоминаниям Сухомлинова Николай Николаевич (младший) «не отличался храбростью в свите своего отца» [170, с. 53]. Видимо, Владимир Александрович оказался свидетелем трусливого поведения великого князя в каком-то эпизоде. Из-за этого у Николая Николаевича (младшего) возникла неприязнь к острому на язык и успешному на поле брани любимцу отца. В будущем они стали заклятыми врагами.
Зато В. А. Сухомлинову во время Русско-турецкой войны несколько раз представилась возможность показать своё мужество и профессионализм. Он, будучи офицером Генерального штаба, неоднократно руководил рекогносцировками – разведывательными вылазками к позициям врага с целью получения сведений о расположении противника, его огневых средствах и особенностях местности, где предполагались боевые действия. Излишне говорить, насколько это было опасно. Так 27 сентября 1877 г. во время рекогносцировки у Дольнего Дубняка на Софийском шоссе по окончании работ Сухомлинов и приданные ему восемь гусар 9-го Киевского полка были обнаружены черкесами. Но они не только сумели уйти от преследования, но и привели языков – трех турецких пехотинцев. За дело у Дольнего Дубняка Владимир Сухомлинов получил золотую саблю с надписью «За храбрость» и вскоре (14 октября) получил воинское звание подполковника [192, с. 704, 707].
В октябре великий князь Николай Николаевич направил Сухомлинова в отряд генерала П. П. Карцова с приказом захватить стратегически важный переход через Балканы – Троянский перевал. Карцов поручил молодому офицеру подготовить операцию, изучив подходы к Трояну. По льду и скалам подполковник Сухомлинов забрался в горы и тщательно зарисовал предполагаемый маршрут подъема. При этом он нашел обходной путь, по которому затем скрытно провел колонну русских войск. Благодаря профессионализму молодого генштабиста отряд Карцова взял турецкое укрепление «Орлиное гнездо», защищавшее Троянский перевал. За это Сухомлинов получил орден Георгия 4-й степени [20, с. 61].
После перехода русской армии через Балканы Сухомлинов некоторое время руководил штабом летучего кавалерийского отряда легендарного генерала М. Д. Скобелева. Владимиру Александровичу предстояло совершить ещё немало подвигов. Так 25 января лихой подполковник «с тремя казаками и трубачом занял г. Гюмурджин» [192, с. 704].
С войны В. А. Сухомлинов вернулся с отличной репутацией. В 1878 г. симпатизировавший ему М. И. Драгомиров, пригласил Сухомлинова занять должность правителя дел Николаевской академии Генерального штаба, которую только что возглавил. Молодой подполковник стал одним из помощников Драгомирова в создании «Учебника тактики», который двадцать с лишним лет являлся главным пособием для офицеров и составил к нему задачник [173; 17, с. 38].
Кроме того Драгомиров, в своё время учивший военному делу Александра III, а теперь преподававший боевую подготовку войск будущему императору Николаю II, в 1878 г. рекомендовал Сухомлинова в качестве помощника главного воспитателя цесаревича – Г. Г. Даниловича (с перспективой впоследствии заменить этого старого генерала). Но Владимир Александрович отказался, поскольку считал, что у него не хватает опыта для того, чтобы стать наставником наследника престола. Однако он преподавал тактику и военную историю другим представителям династии Романовых – великим князьям Петру Николаевичу, Николаю, Георгию и Сергею Михайловичам. Отметим, что молодой педагог не церемонился со своими августейшими учениками. Из-за этого у него однажды вышел конфликт с великим князем Николаем Михайловичем [172, с. 56–58].
Сухомлинов был требователен не только к другим, но и к себе. Он тяготился тем, что у него, уже полковника (с 1880 г.), автора нескольких работ по тактике боя и обучению кавалерийских частей, не имелось опыта самостоятельного командования строевой частью. Сухомлинов считал, что он должен его получить. И, хотя преподавательская деятельность в Академии хорошо оплачивалась, в 1884 г., неожиданно для своих коллег, В. А. Сухомлинов покинул стены этого престижного учебного заведения, чтобы принять командование 6-м лейб-драгунским Павлоградским полком [172, с. 64].