Tháng 3 (âl) năm Nhâm Tuất 1862, Chánh tổng Nguyễn Thạnh ở Bắc Ninh nổi dậy chống triều đình, hội quân đến vài ngàn người, đánh phá các phủ, huyện Lạng Giang, Yên Dũng, rồi tới vây thành tỉnh Bắc Ninh.[1] Triều đình sai Tiến sĩ Nguyễn Đăng Hành làm Bắc thứ Thường biện quân vụ, đốc suất quân đi đánh dẹp. Đỗ Trọng Vĩ được sung làm Bang tá huyện vụ theo quân. Trong trận đánh tại Đông Hồ (thuộc phủ Thuận Thành, Bắc Ninh), quân nổi dậy vây đánh quân triều, do không có quân viện trợ, Tiến sĩ Nguyễn Đăng Hành bị giết chết. Đỗ Trọng Vĩ đốc suất quân binh dốc sức đánh dẹp và cướp được thi hài của Tiến sĩ Nguyễn Đăng Hành. Do công trận này, ông được triều đình ghi nhận quân công.

Khoa thi Hương năm Giáp Tý 1864, lúc 36 tuổi ông đỗ Cống sĩ, đứng thứ ba tại trường thi Hà Nội. Cùng khoa thi với ông có một số bạn bè danh sĩ với ông như Nguyễn Khuyến (đỗ Giải nguyên, sau đỗ Đình nguyên Hoàng giáp khoa Tân Mùi 1871), Dương Khuê (sau đỗ Đồng tiến sĩ khoa Mậu Thìn 1868), Bùi Quế (hay Bùi Văn Quế, sau đỗ Đồng tiến sĩ khoa Ất Sửu 1865), Dương Danh Lập (sau đỗ Phó bảng khoa Ất Sửu 1865), Vũ Chu (Phó bảng khoa Ất Sửu 1865)...

Vì có quân công trước, nên vừa đỗ Cử nhân, ông được triều đình bổ ngay làm Huấn đạo Văn Giang. Năm 1870, ông được thăng chức Giáo thụ phủ Từ Sơn, rồi được bổ Tri huyện Yên Dũng kiêm Lạng Giang. Thời gian sau, ông được thăng chức Tri phủ Yên Thế.

Năm 1874, ông được triều đình sung chức Bang tá quân vụ, phụ tá cho Tiết chế quân vụ Hoàng Kế Viêm và Tán tương quân vụ Tôn Thất Thuyết, suất quân trấn áp các cuộc nổi dậy ở Bắc Ninh và Bắc Giang. Năm 1876, ông được sung làm quyền Án sát sứ Cao Bằng, rồi được đổi thành Án sát sứ Thái Nguyên.

Năm 1878, Lý Dương Tài, một cựu võ quan nhà Thanh từng theo Đề đốc Quảng Tây Phùng Tử Tài sang Việt Nam trấn áp quân Cờ Vàng, bất mãn sau khi bị Thanh triều cách chức nên tụ tập bộ chúng sang lén lút sang Việt Nam cướp bóc. Đỗ Trọng Vĩ nhận lệnh triều đình phối hợp với Đề đốc Quảng Tây Phùng Tử Tài dẹp loạn Lý Dương Tài. Sau khi dẹp được loạn và bắt được Lý Dương Tài giải trả về Trung Quốc, ông được thăng Tuần phủ Hưng Yên. Tuy nhiên, thời gian này do bị bệnh nên ông cáo quan xin về nghỉ tại quê nhà.