ภายหลังจากเหตุการณ์ ร.ศ. ๑๑๒ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว จึงได้ทรงพระราชดำริที่จะเร่งรัดปฏิรูปกองทัพสยาม ให้ทันสมัยทัดเทียมชาติมหาอำนาจ เริ่มจากทรงส่งพระราชโอรสและนักเรียนไทยไปศึกษาวิชาการทหารในประเทศยุโรป พร้อมกับได้ทรงดำเนินพระบรมราชวิเทโศบายทางการเมืองระหว่างประเทศด้วย การผูกมิตรกับประเทศรัสเซีย เพื่อเป็นการถ่วงดุลอำนาจอังกฤษและฝรั่งเศส ซึ่งกำลังแผ่อิทธิพลเข้ามาทั้งทางด้านตะวันตกและตะวันออกของประเทศไทย
            สมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้ามหาวชิราวุธ กรมขุนเทพทวาราวดี ทรงเป็นพระราชโอรส พระองค์หนึ่งที่โปรดให้เสด็จออกไปศึกษาวิชาการ ณ ประเทศอังกฤษ โดยได้เสด็จออกจากประเทศไทยไปหลังจากเกิดเหตุการณ์ ร.ศ. ๑๑๒ ได้เพียงเดือนเศษ ขณะนั้นทรงมีพระชนมายุเพียง ๑๓ พรรษา
            ในระหว่างประทับทรงศึกษาวิชาการชั้นต้น ณ ประเทศอังกฤษนั้น สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิรุณหิศ สยามมกุฎราชกุมาร ได้เสด็จทิวงคตลงอย่างกระทันหัน เมื่อวันที่ ๔ มกราคม พ.ศ. ๒๔๓๗ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว จึงทรงพระกรุณาโปรดสถาปนา สมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้ามหาวชิราวุธ กรมขุนเทพทวาราวดี เป็นสมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราวุธ สยามมกุฎราชกุมาร
            เนื่องจากทรงได้รับสถาปนาเป็นพระรัชทายาท จึงเป็นเหตุให้ต้องทรงเปลี่ยนแนวการศึกษา ซึ่งแต่เดิมมีพระราชประสงค์ จะให้ทรงศึกษาวิชาการทหารเรือ ต้องทรงเปลี่ยนไปทรงศึกษาวิชาการเพื่อเตรียมพระองค์ที่จะเป็นพระมหากษัตริย์ต่อไป ในชั้นต้นได้เสด็จเข้าศึกษาวิชาการทหารบก ณ ROYAL MILITARY ACADEMY, SANDHURST เมื่อ พ.ศ. ๒๔๔๐ วิชาที่ได้ทรงศึกษามี การปกครองของทหาร กฎหมาย ยุทธวิธี วิชาป้อมค่าย การสำรวจ ภาษาฝรั่งเศส พลศึกษา ห้อยโหน (หรือยิมนาสติค) ขี่ม้า ฯลฯ ทรงเชี่ยวชาญในการขี่ม้าเป็นพิเศษ
            เมื่อทรงสำเร็จการศึกษาวิชาการทหารแล้วได้เสด็จเข้าประจำการในกองทัพบกอังกฤษ ทรงดำรงพระยศเป็นนายร้อยโท สังกัดกรมทหารราบเบาเดอรัม (Durham Light Infantry Regiment) ก่อนที่จะเสด็จไปเข้ารับการอบรมตามหลักสูตรวิชาเฉพาะต่าง ๆ ของกองทัพอังกฤษอีก ๓ ครั้ง ดังนี้
                ๑)  วิชาปืนเล็ก ที่เมืองไฮท์ ทรงได้รับรางวัลวิชาแม่นปืน ซึ่งแสดงถึงพระปรีชาสามารถมาก รางวัลนี้มีผู้ที่ได้รับน้อยราย
                ๒)  วิชาทหารภูเขา ที่เมืองโอคแฮมตัน จังหวัดเดวอน
                ๓)  วิชาการทหารปืนใหญ่ ที่ออลเดอร์ช็อต ในระหว่างที่เสด็จเข้าทรงศึกษาในมหาวิทยาลัย อ๊อกซฟอร์ดแล้ว
            ครั้นถึงเวลาอันสมควรได้เสด็จเข้ารับการศึกษาวิชาการพลเรือน ณ มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด (Oxford University) ในหลักสูตรพิเศษที่ทางมหาวิทยาลัยจัดถวายพระราชวงศ์อังกฤษ วิชาที่ทรงศึกษามี อาทิ ประวัติศาสตร์ กฎหมาย และการปกครอง ฯลฯ
            อนึ่ง ในระหว่างที่ประทับทรงศึกษาสรรพวิทยาการ ณ ประเทศอังกฤษนั้น พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้โปรดให้เป็นผู้แทนพระองค์เสด็จไปร่วมในงานบรมราชาภิเษกพระเจ้า อัลฟองโซที่ ๑๓ แห่งประเทศเสปน และพระเจ้าเอ็ดวาร์ดที่ ๗ แห่งสหราชอาณาจักร นอกจากนั้นยังได้เสด็จพระราชดำเนินประพาสประเทศต่าง ๆ ในทวีปยุโรป อาทิ รุสเซีย ออสเตรีย - ฮังการี อียิปต์ อิตาลี ฝรั่งเศส สเปน ปอร์ตุเกส และเยอรมนี เพื่อทอดพระเนตรความเจริญและกระชับสัมพันธไมตรีเป็นการส่วนพระองค์ด้วย
            ในคราวเสด็จพระราชดำเนินเยือนประเทศเบลเยี่ยม เมื่อ พ.ศ. ๒๔๔๔ ได้ทอดพระเนตรป้อมต่าง ๆ ของประเทศเบลเยี่ยม ซึ่งในสมัยนั้นถือกันว่าเป็นป้อมที่ทันสมัยที่สุดนั้น ได้ทรงแสดงพระปรีชาญาณทางการทหารให้ประจักษ์ตั้งแต่ยังทรงมีพระชนมายุเพียง ๒๑ พรรษา ดังที่ นายพลเอก พระยาเทพหัสดิน (ผาด เทพหัสดิน ณ อยุธยา) อดีตหัวหน้ากองทูตทหารในการพระราชสงครามทวีปยุโรปและอาจารย์วิชายุทธศาสตร์และยุทธวิธี โรงเรียนเสนาธิการทหารบก ได้บันทึกไว้ว่า
                    ".....เมื่อทรงกล่าวถึงป้อมที่เมืองลิเอซ ถึงสะพานและช่องทางที่ข้าศึกอาจยกเข้ามา ได้ทรงทำนายไว้ว่าเยอรมันจะต้องยกเข้ามาทางนั้น ได้รับสั่งเรื่องนี้กับข้าพเจ้าใน ค.ศ. ๑๙๐๑ และใน ค.ศ. ๑๙๑๔ คือ ๑๓ ปีภายหลัง กองทัพเยอรมันก็ได้โจมตีลิเอซตามทางที่ได้ทรงทำนายไว้จริง ๆ  เป็นพยานว่า…ทรงเห็นการณ์ไกลทางยุทธศาสตร์ ตั้งแต่ยังทรงพระยศทหารเป็นนายร้อยตรีผู้สำเร็จการศึกษามาใหม่ ๆ .....ทรงสามารถเข้าพระทัยหลักสำคัญแห่งตำรับพิชัยสงคราม สมที่จะได้ทรง เป็นมิ่งขวัญและจอมทัพสยามต่อไป....." (๒)
            สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช เจ้าฟ้ามหาวชิราวุธ สยามมกุฎราชกุมารได้เสด็จพระราชดำเนินนิวัติพระนคร โดยเสด็จพระราชดำเนินผ่านทางสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น ได้แวะทอดพระเนตรความเจริญของบ้านเมือง ตลอดจนการจัดการทหาร และการศึกษาในประเทศทั้งสอง ก่อนจะเสด็จพระราชดำเนินถึงกรุงเทพมหานครในปลายปี พ.ศ. ๒๔๔๕ รวมเวลาที่ประทับทรงศึกษาศิลปวิทยาการต่าง ๆ ในสหราชอาณาจักรเป็นเวลาถึง ๙ ปี
            เมื่อเสด็จพระราชดำเนินกลับถึงกรุงเทพมหานครแล้ว พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้โปรดเกล้า ฯ ให้เสด็จเข้ารับราชการทหารเป็น นายพลเอก และนายพลเรือเอก ตำแหน่งจเรทัพบกและทัพเรือ และทรงเป็นราชองครักษ์พิเศษ กับทรงดำรงพระยศเป็น นายพันโท ผู้บังคับการกรมทหารมหาดเล็กราชวัลลภรักษาพระองค์ (กรมทหารราบที่ ๑ มหาดเล็กพระองค์ของพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว) และนายพันเอก ผู้บังคับการพิเศษ กรมทหารราบที่ ๑๑ รักษาพระองค์
            นอกจากพระราชกิจในหน้าที่นายทหารประจำการดังกล่าวแล้ว สมเด็จพระบรมโอรสาธิราช ฯ สยามมกุฎราชกุมาร ยังได้ทรงช่วยเหลือกิจการของสภาที่ปรึกษาส่วนพระองค์ของสมเด็จพระบรมชนกนาถ ทรงเป็นที่ปรึกษาสภาร่างกฎหมาย ได้ทรงยกร่างพระราชบัญญัติลักษณะเกณฑ์ทหาร พ.ศ. ๒๔๔๘ ซึ่งเป็นรากฐานในการเกณฑ์บุคคลเข้ารับราชการทหาร สืบมาตราบจนถึงทุกวันนี้ รวมทั้งได้ทรงร่วมกับพระเจ้าลูกยาเธอ กรมหมื่นนครไชยศรีสุรเดช ผู้บัญชาการกรมยุทธนาธิการ (๓) จัดวางกำลังกองทัพบกตามรูปแบบการจัดกองกำลังของนานาประเทศ ซึ่งต่อมาเรียกกันว่าโครงสร้างกองทัพบกสยาม พ.ศ. ๒๔๕๑ ซึ่งได้จัดวางกำลังพลเป็น ๑๐ กองพลกระจายอยู่ในมณฑลต่าง ๆ ทั่วประเทศ ดังนี้