Подверглась коренной реорганизации система военного образования. Была создана сеть военных училищ, в которые принимались имеющие среднее образование. По результатам работы Особой экзаменационной комиссии (1865) были напечатаны «Соображения по пересмотру курсов и учебных занятий в Николаевской академии Генерального штаба», в соответствии с которыми преобразован учебный процесс, разработано новое «Положение» и программа для Николаевской академии Генерального штаба. Для выпускников академии введен обязательный стаж командования отдельными строевыми частями. Кадетские корпуса были преобразованы в военные гимназии, были учреждены юнкерские училища, открыт Педагогический музей, печатный орган «Педагогический сборник». При активнейшем участии Милютина разрабатывались уставы, многие положения которых сохранились по настоящее время.
В пехоте ввели шестилинейные винтовки и наладили их переделку в скорострельные и заряжающиеся с казенной части, артиллерия получила медные нарезные пушки. Центральное военное управление было приведено к виду, просуществовавшему до 1917 года. Выпущено «Положение для Генерального штаба» (1865). Утверждено «Положение о полевом управлении войск» (17.4.1868), новое положение с учетом опыта франко-прусской войны 18701871 гг. (1876).
Первый крупный эффект реформы принесли уже в войну с Турцией (18771878 гг.). Мобилизация в ноябре 1876 года прошла в течение 15 суток, на 42 е сутки было завершено сосредоточение войск на театре военных действий.
Утвержден членом комитета по делам Царства Польского (22.11.1866?), а также Особого совещания по урегулированию отношений России с Ватиканом. Петербургский университет присвоил звание доктора русской истории (28.11.1866). Избран почетным членом Академии наук (9.12.1866). Присвоено звание почетного члена Московского университета (12.01.1867). Избран почетным членом Императорского русского географического общества (17.01.1868). Почетный член Николаевской инженерной академии (24.11.1869), Михайловской артиллерийской академии (1870) и Николаевской академии Генерального штаба (1872).
На театре военных действий русско-турецкой войны 18771878 гг. (21.510.12.1877), после неудачи 3-го штурма Плевны один решительно высказался против отхода, и по его настоянию была организована осада Плевны. Назначен шефом 121-го пехотного Пензенского полка (17.04.1877).
После Берлинского конгресса (1878) фактически руководил внешней политикой России. С 22.05.1881 в отставке, жил в своём имении в Симеизе. Был членом Государственного совета. Почетный гражданин города Пензы (1911).
Удостоен практически всех высших орденов Российской империи и многих иностранных наград (в том числе Св. Апостола Андрея Первозванного, Св. Георгия 2-й степени, Св. Станислава 3-й и 1-й степени, Св. Анны 2-й и 1-й степени, Св. Владимира 4-й, 3-й 2-й и 1-й степени, Св. Александра Невского, Белого Орла с мечами).
Завещал библиотеку (до 15 тысяч томов) и архив Николаевской академии Генерального штаба, имение «Семеиз» под санаторий для военнослужащих.
Сочинения
«Опыт литературного словаря», 1831;
«Руководство к съемке планов с применением математики» Москва, 1831, 78 с.;
«Тридцатилетняя война», 1838; «Суворов как полководец» («Отечественные Записки», 1839, 45);
«Русские полководцы ХVIII столетья» 1838 (не опубликовано);
Участвовал в написании руководства по тактике «Свод некоторых соображений для движения, расположения и действия в бою войск» и «Военного устава Полевой службы»;
«О некоторых недостатках, замеченных в составе и устройстве отрядов, действующих против горцев, и о средствах к исправлению сих недостатков», 1839;
«Опыт новой системы фортификации, примененной к обстоятельствам и требованиям Кавказского края», 1839;
«О средствах и системе утверждения русского владычества на Кавказе», 18401841;
«Наставление к занятию, обороне и атаке лесов, строений, деревень и других местных предметов», 1843;
Критическое исследование значения военной географии и статистики, СПб, 1846;
Первые опыты военной статистики, т. 12, СПб, 18471848 (Академия наук в 1850 г. присудила половину Демидовской премии);
Дневник, т. 14, М., 194750. «Описание военных действий 1839 г. в северном Дагестане» (СПб, 1850);
«Наставление к занятию, обороне и атаке местных предметов» (1850);
История войны России с Францией в царствование Павла 1 в 1799 году, т. 15, СПб, 185253, второе издание в трех томах, 1857;
«О некоторых недостатках, замеченных в составе и устройстве отрядов, действующих против горцев, и о средствах к исправлению сих недостатков», 1839;
«Опыт новой системы фортификации, примененной к обстоятельствам и требованиям Кавказского края», 1839;
«О средствах и системе утверждения русского владычества на Кавказе», 18401841;
«Наставление к занятию, обороне и атаке лесов, строений, деревень и других местных предметов», 1843;
Критическое исследование значения военной географии и статистики, СПб, 1846;
Первые опыты военной статистики, т. 12, СПб, 18471848 (Академия наук в 1850 г. присудила половину Демидовской премии);