หลังจากสำเร็จการศึกษา สมเด็จพระเจ้าอยู่หัว มหาวชิราลงกรณ บดินทรเทพยวรางกูร เสด็จนิวัติประเทศไทยและทรงเข้ารับราชการทหารตั้งแต่วันที่ ๙ มกราคม ๒๕๑๘ เป็นต้นมา โดยทรงพระยศทางทหารทั้ง ๓ เหล่าทัพคือ พลเอก พลเรือเอก พลอากาศเอก จากนั้นในปี พ.ศ. ๒๕๒๐ - ๒๕๒๑ ทรงศึกษาต่อ
ที่โรงเรียนเสนาธิการทหารบก ในปี พ.ศ. ๒๕๒๒ ทรงเข้ารับการฝึกหลักสูตรการบินเฮลิคอปเตอร์ใช้งานทั่วไป
และทรงได้รับพระราชทานประดับเครื่องหมายแสดงความสามารถในการบินของกองทัพอากา
หลังทรงสำเร็จหลักสูตรนักบินพร้อมรบของกองทัพอากาศไทย ฝูงบิน ๑๐๒ กองบิน ๑ จังหวัดนครราชสีมา ได้เสด็จไปฐานทัพอากาศวิลเลียมส์ รัฐอริโซนา สหรัฐอเมริกา ในปี พ.ศ ๒๕๒๕ ทรงฝึกการบินด้วยเครื่องขับไล่สมรรถนะสูงและหลักสูตรการบินรบชั้นสูง ในปี พ.ศ. ๒๕๓๐ ทรงสำเร็จการศึกษานิติศาสตรบัณฑิต
เกียรตินิยมอันดับ ๒ จากมหาวิทยาลัยสุโขทัยธรรมาธิราช ในปี พ.ศ. ๒๕๓๓ ทรงศึกษาต่อที่วิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักรแห่งสหราชอาณาจักร พ.ศ. ๒๕๔๗ ทรงฝึกเครื่องบินบินลำเลียง (อากาศยานเชิงพาณิชย์) ใช้เวลาเพียง ๒ ปี ก็ทรงสามารถขับเครื่องบินในตำแหน่งนักบินที่ ๑ ได้ และเข้าฝึกการบินหลักสูตรต่างๆ ทั้งในและต่างประเทศ ทั้งภาคทฤษฎีและปฏิบัติที่มีชั่วโมงบินทั้งอากาศยานทหารและเชิงพาณิชย์รวม ๆ แล้วกว่า ๕,๐๐๐ ชั่วโมง
