В 1807 году поступил юнкером в гвардейскую артиллерию, с которою (после кратковременной в 1809 командировки на Кавказ) сделал кампании 1812, 1813 и 1814 годов. В Отечественную войну 1812 года участвовал в сражении при Бородине; награждён орденом Святого Владимира 4-й степени (1812). Во время Заграничных походов 1813—1814 гг. участвовал в сражениях при Люцене, Бауцене, Дрездене, в «Битве народов» при Лейпциге.
В 1820 году назначен начальником штаба 3-го пехотного корпуса, с войсками которого участвовал в русско-турецкой войне 1828—1829 гг. При переправе через Дунай у Сатунова он в числе первых вступил на неприятельский берег и был награждён орденом св. Георгия 3-й ст. Перед самою польскою войною 1831 года был назначен начальником штаба 1-го пех. корпуса, и в этой должности состоял до сражения при Вавре; после раненного в этом бою генерал-адъютанта Сухозанета вступил в исправление должности начальника артиллерии армии, действовавшей в Польше, и участвовал в сражении при Грохове, сражении под Остроленкой и в штурме Варшавы.
Во время венгерской войны в качестве начальника штаба действующей армии участвовал в бою под Вайценом и распоряжался переправою войск через р. Тису, при Тисафюреде (см. Венгерская война). В 1854, при начале Восточной войны, начальству Г. вверены были войска 3-го, 4-го и 5-го пех. корпусов, действовавших на Дунае и прибрежье Чёрного моря до Южный Буга, хотя главное распоряжение этими силами, равно как войсками, находившимися в Польше и западных губерниях, было предоставлено фельдмаршалу князю Паскевичу. Кампания на Дунае вообще шла неудачно, и войска Горчакова уже в исходе августа 1854 были выведены из Валахии и Молдавии. По возвращении их в пределы империи Горчаков был назначен главнокомандующим Южной армией, расположенною на северо-западном прибрежье Чёрного моря и на реке Прут.
Когда последовала высадка союзников в Крыму, Горчаков по собственному почину, предупреждая высочайшие повеления, всячески старался содействовать удовлетворению материальных нужд крымской армии. Наконец начальство над этой армией пришлось принять самому Горчаков, и в самое тяжелое время; он руководил обороною Севастополя с февраля по август 1855. В конце 1855 он заменен был в Крыму ген.-адъютантом Лидерсом, а в январе 1856, по смерти фельдмаршала князя Паскевича, назначен наместником Царства Польского и главнокомандующим вновь образованной 1-й армии. В этой должности он оставался до самой смерти. Тело его, согласно завещанию, предано земле в г.Севастополе.
Князя Горчакова справедливо упрекали в отсутствии самостоятельности и в нерешительности, которые вредно отзывались на военных действиях; но трудно сказать, были ли то врождённые черты его характера или же они явились и развились вследствие почти 22-летнего пребывания начальником штаба у князя Паскевича, который держал себя с подчиненными деспотически, не терпел возражений и, обладая огромною властью, оберегал её весьма ревниво, причём мягкостью в обращении не отличался.
Надо отметить, что и сам Горчаков имел основания жаловаться на безынициативность подчинённых. Так в письме Меньшикову от 5/XII 1854 г. он писал: «В последний раз вы мне писали, что генерал Липранди всегда и всюду на своем пути видит затруднения. Правда, он совсем не русский человек. Но что такое наши генералы: призовите одного из них и решительно прикажите ему штурмовать нёбо; он ответит „слушаю“, передаст этот приказ своим подчиненным, сам уляжется в постель, а войска не овладеют и кротовой норкой. Но если вы спросите его мнение о способе выполнения марша в 15 верст в дождливую погоду, то он вам представит тысячу соображений, чтобы доказать невозможность столь сверхчеловеческого усилия. Имеется только один способ прийти с ними к какому-либо результату: спросить их мнения, выслушать все идиотские затруднения, которые они вам доложат, объяснить им, каким путем их можно и должно преодолеть и, объяснив им все с большим терпением, отдать приказ, не допускающий прекословия. Я думаю, что если вы будете действовать таким путем с Липранди, это будет человек, который лучше других сделает дело. Понятно, что при этом случае вы ему скажите, что задача, которую вы ставите ему, имеет самое важное значение, и что только он один, по своему уму и энергии, годится для того, чтобы разрешить её…»
С другой стороны, князь столь же справедливо пользовался репутацией человека беззаветно храброго и рыцарски честного и благородного.
М.Д. Горчаков в Севастополе, 1855. Портрет сделанный неприятельским фотографом
Лорд Раглан, Омер-паша и Ж.-Ж. Пелисье под Севастополем в 1855 году. Портрет, подаренный М.Д. Горчакову