Mustafa Kemal 1911 yılında Harbiye Nezaretinde bir göreve tayin edildi. Onun yeni görevi için İstanbul’a geldiği günlerde İtalya, Osmanlı Devleti’nin Afrika kıtasındaki son toprak parçası olan Trablusgarp’ı işgal etmeye başladı. Ege Denizi ve Akdeniz İtalyan kontrolü altında olduğu için Osmanlı Devleti Trablusgarp’a denizden ulaşamıyordu. Kara yolu da Mısır’ın, İngiltere’nin elinde bulunması nedeniyle kapalıydı. Bunun üzerine aralarında Mustafa Kemal’in de bulunduğu gönüllü, genç Osmanlı subayları bir direniş cephesi oluşturmak için gizlice Trablusgarp’a gitmişlerdi.
Mustafa Kemal, Trablusgarp’a vardıktan sonra yerli Arap kabilelerini teşkilatlandırarak harekete geçirdi. Bingazi, Deme ve Tobruk cephelerindeki başarılı savunması ile İtalyanların iç bölgelere doğru ilerlemesine izin vermedi. Kazandığı bu zaferler nedeniyle de binbaşılığa yükseltildi.
Mustafa Kemal’in Trablusgarp’taki başarıları onun Çanakkale’de ve Millî Mücadele’de kazanacağı zaferlerin habercisi gibidir. Onun 8 Mayıs 1912’de yakın arkadaşı Salih Bozok’a Trablusgarp’tan yazdığı mektubundaki şu sözler kendisinin ve diğer Türk subayların duygularını yansıtmaktadır: “Biz vatana borçlu olduğumuz fedakarlık derecelerini düşündükçe bugüne kadar yapılan hizmeti pek değersiz buluyoruz. Vicdanımızdan gelen bir ses bize gemilerimizin Tobruk, Derne, Bingazi ve Trablusgarp limanlarında tekrar demir atmış olduğunu görmedikçe vazifemizi bitirmiş sayılamayacağımın hatırlatıyor. Vatan mutlaka selamet bulacak, millet mutlaka mesut olacaktır. Çünkü kendi selametini, kendi saadetini memleketin ve milletin selamet ve saadet’ için feda edebilen vatan evlatları çoktur.”
Trablusgarp Savaşı’nda Mustafa Kemal ve silah arkadaşlarının kahramanca direnişiyle karşılaşan İtalya, Osmanlı Devleti’ni barışa zorlamak için Oniki Ada’yı işgal etti. Ayrıca Çanakkale Boğazını abluka altına aldı. Böylece zor durumda kalan Osmanlı Devleti aynı günlerde Balkan Savaşlarının da başlaması üzerine İtalya ile Uşi Antlaşması’nı imzaladı. 1912 yılında yapılan bu antlaşma ile Trablusgarp ve Bingazi İtalya’ya verilirken Oniki Ada da geçici olmak kaydıyla yine bu devlete bırakıldı.
Mustafa Kemal komutan olarak ilk askeri başarısını Trablusgarp Savaşı’nda kazandı. O, bu savaşta teşkilatçılık, ateş altındaki birlikleri idare etme, otorite kurma ve yokluklar içinde savaşı sürdürme konularında kendisini geliştirme imkanı buldu. Trablusgarp Savaşı’nın sona ermesi üzerine Balkan Savaşlarına katılmak için İstanbul’a gelen Mustafa Kemal, Gelibolu’da bulunan kolordunun harekat dairesi başkanlığına atandı. Onun bu göreve getirildiği günlerde Osmanlı kuvvetleri ağır yenilgilere uğramış ve savaş neredeyse kaybedilmişti. Buna rağmen Mustafa Kemal durumu değiştirmek için hemen harekete geçti. Ancak önerilerini üstlerine kabul ettiremedi. 1913’te de anlaşmazlığa düştüğü dönemin yöneticileri tarafından Sofya Ataşemiliterliğine atanarak İstanbul’dan uzaklaştırıldı.