Боевое крещение получил под Цинчехеном, самостоятельно командуя дивизионным авангардом. Участвовал в конном рейде генерала Мищенко по японским тылам. На топографических картах войны в Маньчжурии появилась отметка «Деникинская сопка». Показал себя деятельным и командиром, и оперативником-штабистом.

За отличие в боях с японцами досрочно был произведен в полковники (войну начал капитаном) и назначен начальником штаба Уральско-Забайкальской казачьей дивизии. За боевые отличия награждается тремя орденами. Возвращение из Маньчжурии было для него тягостным: повсюду в России в 1905 году виделись хаос и безвластие, то там, то здесь случались «солдатские бунты».

После Японской войны полковник Генерального штаба А. И. Деникин занимал должности начальника штаба резервной бригады в Саратове, командира 17-го пехотного Архангелогородского полка, расквартированного в городе Житомире. В начале 1914 года следует производство в генерал-майоры и назначение в штаб Киевского военного округа.

Первую мировую войну 1914–1918 годов встретил в должности генерал-квартирмейстера, то есть начальника оперативной службы, при командующем 8-й армией генерале от кавалерии А. А. Брусилове. Вскоре он по собственному желанию перевелся из штаба в действующие части, получив в командование 4-ю стрелковую бригаду, больше известную в русской армии под названием «Железной» бригады. Это название она получила за героизм, проявленный в ходе Русско-турецкой войны 1877–1878 годов при освобождении Болгарии от османского ига.

Деникин вспоминал: «Штабная работа меня не удовлетворяла. Составление директив, диспозиций и нудной, хотя и важной штабной технике я предпочитал прямое участие в боевой работе, с ее глубокими переживаниями и захватывающими опасностями».

Во время наступления в Галиции деникинские «железные» стрелки не раз отличались в делах против австро-венгров, сумев пробиться в заснеженные Карпаты. До самой весны 1915 года там шли упорные и кровопролитные бои, за которые генерал-майор А. И. Деникин удостоился почетного Георгиевского оружия (за бои на реке Гнилая Липа) и боевых орденов Святого Георгия 4-й (за бой у города Самбор) и 3-й (за бои на реке Сан) степеней. Эти фронтовые награды лучше всего свидетельствовали о его способностях как военачальника.

Три георгиевские награды за один год мировой войны впечатляли. Это было не только подтверждение несомненных полководческих способностей Деникина, но и своеобразным рекордом на фронтах мировой войны. Его имя получило известность в рядах русской армии, в ее офицерском составе.

Командующий армией А. А. Брусилов, посетив позиции «Железной» бригады в Карпатах, сказал ее командиру: «Благодарю вас за блестящие действия бригады. В предстоящей важной задаче, данной бригаде, рассчитываю на вас, как на каменную гору». Вскоре бригада была развернута в полноценную дивизию, которая по преемственности сохранила за собой название «Железной».

Во время боевых действий в Карпатах фронтовым соседом «железных» стрелков была дивизия, которой командовал генерал Л. Г. Корнилов, будущий соратник Деникина по Белому движению на Юге России. Тогда состоялось знакомство и с будущим донским атаманом генералом А. М. Калединым. О тех боях в Карпатских горах Антон Иванович писал следующее:

«Весна 1915 г. останется у меня в памяти навсегда. Тяжелые кровопролитные бои, ни патронов, ни снарядов. Немецкая тяжелая артиллерия буквально срывает окопы, хороня в них русских солдат, а ответить ей нечем…

Я видел, как редели полки моих стрелков, и испытывал отчаяние и сознание нелепой беспомощности…»