Лозунгу о единой и неделимой России при господствующем положении «русского элемента» Милютин оставался верен всю жизнь. Он принадлежал к сторонникам активной имперской политики, направленной на внешнюю экспансию и расширение границ государства. Приверженность либеральным идеям вполне органично сочеталась в его мировоззрении с крайней жесткостью и даже нетерпимостью в проведении подобной политики. Милютин выступил за беспощадное подавление польского восстания 1863–1864 годов, одобрил карательные меры генерал-губернатора М. Н. Муравьева («Вешателя») в Северо-Западном крае. Такой же линии он придерживался и по отношению к Остзейскому краю и Финляндии. Несмотря на возражения министра иностранных дел князя А. М. Горчакова, опасавшегося осложнений в отношениях с Великобританией, Милютин настаивал на завоевании Средней Азии. В 1867 году по его предложению туркестанским генерал-губернатором и командующим войсками округа был назначен генерал К. П. Кауфман, который стал претворять в жизнь наступательные планы военного министра.

При осуществлении реформ Милютину приходилось преодолевать сопротивление мощной оппозиции в верхах. После покушения Д. В. Каракозова на Александра II в 1866 году во внутренней политике усилились консервативные тенденции. Ведущее положение в правительстве заняла группировка начальника III отделения собственной Его Императорского Величества канцелярии графа П. А. Шувалова. В нее входили также сменивший А. В. Головнина министр народного просвещения граф Д. А. Толстой, министр внутренних дел А. Е. Тимашев, министр юстиции граф К. И. Пален, председатель Комитета министров князь П. П. Гагарин и некоторые другие высшие сановники. Пересмотр либерального законодательства 1860-х годов сочетался в планах консерваторов с замыслом о введении в России конституции в олигархическом варианте. Поэтому ярко выраженный «антиконституционализм» Милютина тех лет во многом объяснялся тактическими соображениями – и его, и других либеральных бюрократов тревожили притязания аристократической верхушки на раздел власти с троном.

Консервативная группировка начала против военного ведомства настоящую кампанию. Военного министра подозревали в скрытом либерализме, считали, что он, как и его брат Николай, стоит на радикальных позициях. Консерваторы встречали в штыки его выступления против дворянских привилегий. В 1868 году Шувалов и Тимашев обвинили «Русский инвалид» «во вредном направлении», докладывали Александру II, что газета «возбуждает неосуществимые надежды крестьян». В результате этой интриги Милютин потерял свое любимое детище. В следующем году «Русский инвалид», ставший официальным органом Генерального штаба, сосредоточился на публикации чисто военных материалов.

Острая борьба по вопросам народного просвещения разгорелась между Милютиным и Толстым – ярым сторонником классического образования. В Государственном совете военный министр неизменно вступал со своим оппонентом в жаркие споры. Он доказывал, что классическое образование, при всех его достоинствах, нельзя развивать за счет технических и естественно-научных дисциплин, что древние языки и знание античной культуры сами по себе не смогут отвлечь молодежь от революционных устремлений: «благодетельное или вредное влияние обучения зависит от приемов обучения, а не от сущности самой науки». При этом Дмитрий Алексеевич не ограничивался одними речами, а принимал деятельное участие в создании противовеса толстовскому «классицизму» – сети реального образования, ориентированного на изучение прикладных наук, в которых крайне нуждались промышленность и реформируемая армия.