Детские годы его прошли в селе Вражском Чембарского уезда Пензенской губернии (ныне Каменского района) и в Пензе. В 1904–1909 годы учился в 1-й Пензенской гимназии. Окончил Московский Императрицы Екатерины II кадетский корпус (1912).
В Русской императорской армии он состоял с 1912 года: по окончании кадетского корпуса поступил в Александровское военное училище, которое закончил в 1914 году в первой тройке по успеваемости. В конце обучения выбрал службу в лейб-гвардии Семёновском полку, и после прохождения необходимых процедур (получение согласия офицеров полка) гвардии подпоручик Тухачевский в июле 1914 года был назначен младшим офицером в 6 роту 2 батальона.
В начавшейся Первой мировой войне принимал участие в боях с австрийцами и немцами в составе 1-й гвардейской дивизии на Западном фронте. Участник Люблинской, Ивангородской, Ломжинской операций. Был ранен, за проявленный героизм пять раз был награждён орденами различных степеней (5 орденов за полгода). В бою 19 февраля 1915 года у деревни Пясечно под Ломжей его рота была окружена, он сам взят в плен. Ночью немцы окружили позиции 6-й роты и уничтожили её почти полностью. Ротный командир капитан Веселаго (старый военнослужащий, участвовавший добровольцем ещё в русско-японской войне), сражался ожесточенно и был убит. Позже, когда русские вновь отбили захваченные германцами окопы, на теле капитана насчитали не менее двадцати штыковых и огнестрельных ран – и опознали его только по Георгиевскому кресту. Тухачевский же угодил в плен живым и даже не раненым. После четырёх безуспешных попыток бегства из плена отправлен в лагерь для неисправимых беглецов в Ингольштадте, где познакомился с Шарлем де Голлем, будущим Президентом Франции. В сентябре 1917 года совершил пятый побег, ставший успешным, и 18 сентября сумел перейти через границу в Швейцарию. В октябре 1917 года вернулся в Россию через Францию, Англию, Норвегию и Швецию. Вновь зачислен в Семёновский полк командиром роты, а в январе 1918 года получил отпуск как бежавший из плена.
"Не то что бы он был жестоким – просто он не имел жалости" (отзыв о Тухачевском французского офицера Реми Рура, сидевшего с ним в германском плену).
Добровольно вступил в Красную армию в марте 1918 года, работал в Военном отделе ВЦИК. Вступил в РКП(б) ранней весной 1918 года, назначен военным комиссаром Московского района обороны.
В июне 1918 года назначен командующим создаваемой 1-й армией Восточного фронта. Едва не был расстрелян в ходе июльского мятежа, поднятого командующим Восточным фронтом М. А. Муравьёвым. В августе командовал 1-й советской армией, предпринимавшей попытку взять занятый белыми Симбирск и в ожесточённом сражении 27(14) – 30(17) августа на подступах к городу потерпел поражение от частей полковника Генерального штаба В. О. Каппеля, в результате чего 1-я советская армия была вынуждена отступить на 80 вёрст западнее Симбирска. В начале сентября подготовил и провёл силами армии успешную операцию по взятию Симбирска, в которой впервые проявил полководческие качества. Военные историки отмечают «глубоко продуманный план операции, смелое и быстрое сосредоточение основных сил армии на решающем направлении, своевременное доведение задач до войск, а также решительные, умелые и инициативные их действия». Впервые в Гражданской войне один полк (5-й Курский Симбирской дивизии) перевозился в район сосредоточения на автомашинах.
Как и в последующих армейских и фронтовых операциях, Тухачевский продемонстрировал «умелое использование решительных форм манёвра в ходе операции, смелость и стремительность действий, правильный выбор направления главного удара и сосредоточение на нём превосходящих сил и средств».
Следует, однако, отметить, что Симбирская операция являлась частью общего наступления Восточного фронта 1918–1919 гг. Красной армии и началась только после начала Казанской операции 1918 года, имевшей целью взятие Казани, которую обороняли лучшие войска Народной армии КОМУЧа, включая бригаду Каппеля. После того, как В. О. Каппель со своими частями вернулся из-под Казани, Симбирская дивизия красных была отброшена за Волгу. Но вернуть Симбирск Каппелю не удалось, а подход Правобережной группы Пятой армии и Волжской военной флотилии Красной армии позволил красным вновь форсировать Волгу и перейти в наступление.