7 мая 1907 года был произведён в штабс-капитаны. С 6 ноября 1907 по 7 ноября 1909 года Каменев отбывал цензовое командование ротой в 165-м пехотном Луцком полку. В период командования ротой Каменев попутно делается внештатным преподавателем Киевского военного училища, где преподавал тактику и топографию.
С 26 ноября 1909 года работал помощником старшего адъютанта штаба Иркутского военного округа. С 6 декабря 1909 года капитан. С 10 февраля 1910 года служил старшим адъютантом штаба 2-й кавалерийской дивизии. Будучи по первоначальной службе пехотным командиром, Сергей Каменев усиленно изучал кавалерийское дело, участвовал во всех кавалерийских манёврах и поездках. С 26 ноября 1911 года — помощник старшего адъютанта в оперативно-мобилизационном отделе штаба Виленского военного округа. 6 декабря 1912 года был награждён орденом Св. Станислава 3-й степени.
В 1914 году принимал участие в киевской военной игре, на которой разыгрывался будущий план войны.
Первая мировая война
С 4 сентября 1914 года Сергей Каменев — старший адъютант отделения генерал-квартирмейстера штаба 1-й армии. Полковник (старшинство в чине с 06.12.1915)[3]. Затем занимал должность начальника оперативного отделения штаба 1-й армии.
« Каменев пользовался репутацией добросовестного и усердного офицера. Особых талантов в нём не усматривалось. Это был типичный «момент»[4], не лучше и не хуже других. Несколько замкнутый, молчаливый, он не выделялся из рядов сослуживцев...
Юрий Галич.[5] »
В 1917 году Каменеву попался сборник Григория Зиновьева и Владимира Ленина «Против течения», который, по его словам, «произвёл ошеломляющее впечатление, открыл новые горизонты». Умевший находить общий язык с солдатами, 4 апреля того же года Каменев был ими избран на должность командира 30-го пехотного Полтавского полка.
С 25 ноября 1917 года — начальник штаба 15-го армейского корпуса. До апреля 1918 года — начальник штаба 3-й армии, был выдвинут на эту должность армейским комитетом. Работал по демобилизации 3-й армии и эвакуации военного имущества. По занятии немцами Полоцка, Каменев с армейским комитетом переехал в Нижний Новгород, где завершил демобилизацию и ликвидацию 3-й армии.
Гражданская война в России
С апреля 1918 г. в РККА. Был назначен военным руководителем Невельского района Западного участка отрядов завесы. С июня 1918 г. — командир 1-й Витебской пехотной дивизии. При поддержке Л. Д. Троцкого Каменев постоянно назначался на высшие посты в РККА. С августа 1918 г. — военный руководитель Западного участка завесы и одновременно военрук Смоленского района. С августа (сентября) 1918 по июль 1919 г.[6] (с перерывом в мае 1919 г.) — командующий войсками Восточного фронта. Руководил наступлением Красной армии на Волге и Урале. Здесь, при проведении оборонительных и наступательных операций против армий адмирала Колчака, ярко раскрылось его полководческое дарование. С 8 июля 1919 по апрель 1924 г. — главнокомандующий вооружёнными силами Республики.