Воронцов принял участие и в русско-турецкой вой не 1806 1812 гг. Он отличился в штурме крепости Базарджик, за что был произведен в генерал-майоры.
Затем штурмовал Шумлу, принимал активное участие в сражениях под Батином, Систовом, Плевной, Ловгой, Рущуком. В конце сентября генерал Воронцов получил приказ от главнокомандующего русской армией М. II. Кутузова: переправиться на правый берег Дуная, в тыл неприятелю, и принудить его к отступлению. 7 октября русские войска форсировали Дунай у Груи, а с 8-го числа заняли Виддинскую равнину. Здесь их встретило более 5 тысяч турок, которые, выйдя из Виддина, обошли каре правого фланга и в конном строю атаковали русскую кавалерию, но артиллерия, батальонный огонь пехоты и слаженная атака драгун и улан рассеяли неприятеля. За эту победу Воронцов был награжден орденом св. Георгия 3-й степени.
Начало Отечественной войны 1812 г. он встретил начальником сводной гренадерской дивизии в составе 2-й Западной армии князя Багратиона, которая сражалась 11 июля под Дашковкой, с 4 по 6 августа защищала Смоленск, до последнего человека стойко обороняла Шевардинский редут и Семеновские флеши, где Воронцов был тяжело ранен. После ранения он приказал своим адъютантам подобрать на Бородинском поле и разыскать в лазаретах всех раненых офицеров и солдат своей дивизии.
Михаил Семенович вернулся в войска под команду графа Чернышева, а затем участвовал в заграничных походах русской армии, оставаясь начальником той же дивизии. Командовал авангардом 3-й Западной, а затем Северной армии. В январе 1813 г. разбил польские части у Рогозно, овладел Познанью. В том же году сражался при Денневице и участвовал в битве под Лейпцигом.
Уже в чине генерал-лейтенанта Воронцов командовал 10-тысячным отрядом в Силезской армии прусского фельдмаршала Блюхера. Против русских корпусов этой армии Наполеон выставил под Краоном 50 тысяч солдат, включая две дивизии старой гвардии. Маршал Виктор атаковал центр русских позиций, а маршал Ней двинул свои дивизии на приступ левого фланга Воронцова. Нея остановили русская артиллерия и егеря. Наполеон перебросил на правый фланг до 100 орудий, и французы вновь пошли в атаку. В этот момент Воронцов показал пример личного мужества, подъезжая к полкам и заменяя в бою батальонных командиров. Дивизии Нея были отброшены второй раз, но третьей атакой французам удалось захватить позиции русской конной батареи. Однако солдаты Ширванского полка и егеря, ведомые своим генералом, вновь отбросили противника. Русские войска остались на прежних позициях, но в это время Воронцов получил уже третий приказ об отступлении. Его корпус начал отходить в полном порядке, сдерживая атаки войск Наполеона, пока к русским частям не подошло подкрепление. Французы потеряли в этом сражении более 5 тысяч человек убитыми, в том числе 7 генералов. За этот бой Воронцов был удостоен ордена св. Георгия 2-й степени «…за отличие в сражении при Краоне». Михаил Семенович находился и среди участников взятия Парижа, а в 1815 г., получив звание генерал-адъютанта императора Александра I, был назначен командиром оккупационного корпуса во Франции.
Незадолго перед этим Воронцов составил «Правила для обхождения с нижними чинами» и «Наставления офицерам 12 и дивизии», где утверждал необходимость гуманного отношения к солдатам. Он был противником павловской системы подготовки войск, основанной на жестоком обращении с нижними чинами. В 1815 г. он писал генералу Сабанееву: «Я всегда в себе думал, что ежели по опыту найду, что военная служба без пустого и без резонного бесчеловечья существовать не может, то я в оной не слуга и пойду в отставку». Командуя последующие три года оккупационным корпусом, Воронцов завел полковые школы для обучения солдат грамоте. Резко отрицательно он относился к плац-парадной муштре, насаждавшейся в армии, но вынужден был следовать приказам и рекомендациям вышестоящего начальства. Возвратившись в Россию в 1819 г., граф Воронцов был назначен командиром 3-го пехотного корпуса.
Будучи одним из крупнейших русских помещиков, Воронцов придерживался либеральных взглядов и был близок к деятелям преддекабристских организаций. В 1820 г. вместе с И. И. Тургеневым пытался основать дворянское общество для постепенного освобождения крестьян. В своих обширных имениях наряду с крепостнической формой хозяйствования применял и наемный труд.
С 1823 г. Воронцов стал новороссийским генерал-губернатором и полномочным наместником Бессарабской области. В это время он покровительствовал сосланному на юг А. С. Пушкину, однако затем их отношения испортились из-за увлечения поэта его женой графиней Е. К. Воронцовой. С началом царствования императора Николая I Воронцов был назначен членом Государственного совета. По его проекту Бессарабия стала частью Новороссийского генерал-губернаторства, во главе которого он находился с 1828 по 1844 г.
Уже в чине генерала от инфантерии Воронцов стал участником русско-турецкой войны 1828–1829 гг.; руководил осадой крепости Варна, которая была ему поручена после ранения генерала Меншикова. В начале осады русских войск у крепости насчитывалось всего 10 тысяч человек при 47 орудиях, а с прибытием гвардии — 32 тысячи при 170 орудиях. Большую роль в блокаде Варны сыграл Черноморский флот под командованием адмирала Грейга, который господствовал на морских коммуникациях. Во время осады Варны русской армии пришлось отразить нападение 30-тысячного турецкого корпуса, пытавшегося деблокировать осажденный гарнизон, а 26 сентября был предпринят и штурм укреплений, не доведенный до конца. Несмотря на это, 29 сентября крепость капитулировала. В ней было взято 7 тысяч пленных и 140 орудий. На этом русское командование решило закончить в целом неблагоприятно сложившуюся кампанию. Лишь в следующем году русской армии удалось разбить турецкие войска и склонить Турцию к миру, не принесшему, правда, России особых выгод.
В 1844 г. Воронцов был назначен наместником Кавказа и одновременно главнокомандующим войсками на Кавказе. Прибыв туда весной 1845 г., он начал подготовку экспедиции в Андпю, однако предпринятый им поход на аул Дарго с 6 по 20 июля закончился катастрофой. Аул был взят, но на обратном пути русские войска, двигаясь по труднопроходимой местности и испытывая нужду в продовольствии, подвергались нападениям горцев и понесли тяжелые потери.
В целом Воронцов, отличаясь от своих предшественников выдающимися административными способностями, следовал тактике генерала А. П. Ермолова, сторонника жестких мер на Кавказе. Вырубка лесов, постройка дорог и укреплений, появление новых казачьих станиц делали борьбу горцев с правительственными войсками все более трудной. В 1847 г. Воронцов предпринял попытку овладеть Гергебилем, но не имел успеха, а появление холеры заставило его снять осаду. В это же время войска Воронцова выступили в поход на укрепление Салты и 4 сентября после шестинедельной осады взяли его штурмом. Погибло до 3 тысяч защитников крепости. До начала Крымской войны политика жесткого покорения Кавказа продолжалась. В 1854 г. заболевшего Воронцова на его посту заменил генерал Реад. Меры его по усмирению горских племен в эти годы привели к тому, что в Крымскую войну они не смогли оказать сильного сопротивления и существенно помочь турецким войскам на Кавказе.
Еще 6 августа 1845 г. высочайшим указом генерал-адъютант граф М. С. Воронцов был возведен с его нисходящим потомством в княжеское достоинство Российской империи, а 30 марта 1852 г. ему и его потомкам был присвоен титул светлейших князей. Несмотря на то что Михаил Семенович был царедворцем и карьеристом, ум, образованность, известный либерализм выделили его из рядов царских сановников и администраторов. В управляемых им областях он осуществлял мероприятия, способствовавшие развитию просвещения, земледелия, промышленности, торговли и судоходства; уделял большое внимание застройке и благоустройству Одессы, где ему впоследствии был поставлен памятник. Воронцов был обладателем всех высших чинов и орденов Российской империи; в 1826 г. к ним прибавилось звание почетного члена Петербургской академии наук.