Дмитрий с младенчества одинаково хорошо думал и говорил на литературных русском, кряшенском, французском и немецком языках. Двенадцатилетним остался без отца. Среди сверстников проявил качества лидера: под его руководством казачата строили и штурмовали крепости. Ранее старший брат Дмитрия Владимир был направлен по стипендии учиться на медицинском факультете Казанского университета, а в 1887 г. за участие в студенческом революционном движении был арестован, заключён в тюрьму, исключён из университета. В связи с тем, что семья Карбышевых была под надзором Департамента полиции, Д.М. Карбышев не был принят в Сибирский кадетский корпус для обучения за государственный счёт. 6 сентября 1891 г. он был зачислен в корпус «приходящим по плате». Несмотря на большие материальные затруднения, Дмитрий Карбышев регулярно посещал занятия, стал отличником и через два года был зачислен полноправным кадетом. Сибирский кадетский корпус окончил с отличием, первым среди выпускников, и был рекомендован для поступления в Павловское училище, Михайловское артиллерийское училище или Николаевское инженерное училище.
Семейный совет решил, что Дмитрий пойдет по стопам отца, станет военным, причём по инженерной профессии. В 1898 г. был принят в Николаевское инженерное училище. По результатам вступительных экзаменов оказался 78-м из 94, а по выпускным экзаменам – уже 9-м. В 1900 г., по окончании училища, направлен служить в 1-й Восточно-Сибирский сапёрный батальон, начальником кабельного отделения телеграфной роты. Батальон дислоцировался в Манчжурии. В 1903 г. произведён в поручики.