ในตอนต้นแผ่นดินรัชกาลที่ 5 เมื่อพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว มีพระราชดำริที่จะจัดตั้งกรมทหารมหาดเล็กรักษาพระองค์ขึ้น จึงโปรดเกล้าฯ ให้ พระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าศุขสวัสดี ซึ่งในเวลานั้นทรงเจริญพระชันษาแล้ว ให้เข้ารับราชการในตำแหน่งคะเด็ตทหารมหาดเล็ก (Cadet- นักเรียนนายร้อย)

เมื่อถึงปี พ.ศ. 2414 จึงได้ทรงเป็นนายดาบในกองร้อยที่ 5 กรมทหารมหาดเล็กรักษาพระองค์

ปี พ.ศ. 2416 ได้เลื่อนพระยศเป็นนายร้อยเอกในตำแหน่งผู้บังคับกองร้อยที่ 5 กรมทหารมหาดเล็กรักษาพระองค์ และในปีนี้เอง พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้ทรงสถาปนาตำแหน่งราชองครักษ์ขึ้นเป็นปฐม ซึ่งสมัยนั้นเรียกว่า "ราชเอดเดอแกมป์" (Aid-de-Camp) จึงทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าศุขสวัสดี เป็นราชองครักษ์พระองค์แรกก่อนบุคคลอื่น ดังนั้นเมื่อ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว เสด็จพระราชดำเนินประพาสเมืองต่างประเทศมี มลายู ชวา และอินเดีย พระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าศุขสวัสดี ก็ได้โดยเสด็จในหน้าที่ราชองครักษ์ทุกแห่งไป และในปีต่อมา ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เป็นผู้กำกับแตรวงในกรมทหารมหาดเล็กรักษาพระองค์อีกตำแหน่งหนึ่งด้วย

ในปี พ.ศ. 2417 โปรดให้ตั้งองคมนตรีสภา(เดิมคือ ปรีวีเคาน์ซิล) ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าศุขสวัสดี (พระอิสริยยศในขณะนั้น) เป็นองคมนตรีในครั้งนั้น และทรงเป็นองคมนตรี[2]ในพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว อีกด้วย

ปี พ.ศ. 2419 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้สถาปนาเป็นพระองค์เจ้าต่างกรมและให้ออกวัง มีพระนามตามจารึกในพระสุพรรณบัฏว่า พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหมื่นอดิศรอุดมเดช ครุฑนาม ทรงศักดินา 15,000 ตามพระราชกำหนดอย่างพระองค์เจ้าต่างกรมในพระบรมมหาราชวัง แล้วให้ทรงตั้งเจ้ากรมเป็นหมื่นอดิศรอุดมเดช ถือศักดินา 600 ปลัดกรมเป็นหมื่นภูเบศรบริรักษ์ ถือศักดินา 400 และสมุห์บาญชีเป็นหมื่นประจักษ์พลขันธ์ ถือศักดินา 300 โดยในการออกวังให้ทรงย้ายจากพระตำหนักสวนกุหลาบในบริเวณพระบรมมหาราชวังและโปรดเกล้าฯ ให้สร้างวังท้ายวัดพระเชตุพนวิมลมังคลารามพระราชทาน แล้วเสด็จพระราชดำเนินพระราชทานพระสุพรรณบัฏที่วังตามประเพณีซึ่งใช้อยู่ในเวลานั้น

ปี พ.ศ. 2430 ได้ทรงเป็นผู้แทนผู้บังคับการทหารล้อมวัง ซึ่งปัจจุบันคือกรมทหารราบที่ 11 รักษาพระองค์

ปี พ.ศ. 2431 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เป็นนายพันเอกผู้บังคับการทหารราบในกรมทหารมหาดเล็กรักษาพระองค์ พร้อมกับได้รับพระราชทานพระยศ พลจัตวา[3]ต่อมาได้เลื่อนเป็นนายพลตรี เมื่อวันที่ 21 กันยายน พ.ศ. 2441[4]

ปี พ.ศ. 2433 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้มาว่าการในหน้าที่ปลัดทหารบกใหญ่

ปี พ.ศ. 2435 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เป็นผู้บังคับการกรมทหารหน้า ซึ่งปัจจุบันคือกรมทหารราบที่ 4 พร้อมกับได้รับโปรดเกล้าให้เป็น ราชองครักษ์พิเศษ เมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2435 [5]

ปี พ.ศ. 2455 ในรัชสมัยของพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ พลตรี พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหมื่นอดิศรอุดมเดช เป็นผู้บัญชาการกองพลทหารบกที่ 10

ปี พ.ศ. 2456 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ย้ายมาเป็นผู้บัญชาการกองพลทหารบกที่ 4 และในปีนี้เอง ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ เลื่อนพระอิสริยยศเป็นกรมหลวง มีพระนามตามจารึกในพระสุพรรณบัฏว่า พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงอดิศรอุดมเดช ครุฑนาม ทรงศักดินา 15,000 ตามพระราชกำหนดอย่างพระองค์เจ้าต่างกรมในพระบรมมหาราชวัง แล้วให้ทรงเลื่อนเจ้ากรมเป็นหลวงอดิศรอุดมเดช ถือศักดินา 800 ปลัดกรมเป็นขุนภูเบศร์บริรักษ์ ถือศักดินา 600 สมุห์บาญชีคงเป็นหมื่นประจักษ์พลขันธ์ ถือศักดินา 400 แล้วทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ย้ายมาเป็นผู้บัญชาการกรมพระคชบาลแทน จอมพล เจ้าพระยาบดินทรเดชานุชิต (หม่อมราชวงศ์อรุณ ฉัตรกุล) ซึ่งขณะนั้นมียศเป็น พลเอก และโปรดเกล้าฯ ให้เป็นผู้ช่วยเสนาบดี กระทรวงกลาโหม เพียงตำแหน่งเดียวเมื่อวันที่ 27 พฤศจิกายน พ.ศ. 2456[6]

ปี พ.ศ. 2460 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ย้ายมาเป็นจเรสัตว์พาหนะทหารบกและการทหารม้า และดำรงตำแหน่งนี้จนตลอดพระชนมายุ และในปีนี้ได้ทรงดำรงตำแหน่งนายทหารพิเศษประจำกรมทหารราบที่ 11 รักษาพระองค์

ปี พ.ศ. 2462 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เป็นนายพลโท

ปี พ.ศ. 2463 มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ ให้เป็นนายทหารพิเศษประจำกรมทหารบกม้ากรุงเทพฯ รักษาพระองค์ในพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว

นอกจากการรับราชการทหารอันเป็นหน้าที่เฉพาะแล้ว พลโท พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงอดิศรอุดมเดช ยังเคยทรงทำหน้าที่พิเศษถวายพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว คือ เป็นช่างถ่ายรูป ผู้บัญชาการมหาดเล็กตั้งเครื่อง เป็นต้น

ในตอนปลายพระชนม์ชีพ พลโท พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมหลวงอดิศรอุดมเดช มีพระอาการประชวรพระปัปผาสะ ครั้นถึง ณ วันที่ 16 เมษายน พ.ศ. 2468 เวลา 19.20 น. ก็สิ้นพระชนม์โดยสงบ แวดล้อมด้วยพระโอรส พระธิดา หม่อม และพระประยูรญาติอันสนิท เป็นที่เศร้าโศกสลดเสียดายแก่ผู้ใกล้ชิดพระองค์ทั่วกัน สิริพระชันษาได้ 69 ปี 1 เดือน 13 วัน ได้รับพระราชทาน พระโกศทองน้อย บรรจุพระศพ ตั้งบำเพ็ญพระกุศล ณ วังถนนพระอาทิตย์[7] และ พระราชทานเพลิงพระศพเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2468 ณ พระเมรุ ท้องสนามหลวง[8]