Принят на военную службу из студентов Московского университета колонновожатым
в свиту по квартирмейстерской части 1 марта 1810 года. 14 сентября 1810 года произведён в подпоручики. С осени 1810 года по январь 1811 года находился
на топографических съемках в Волынской и Киевской губерний. С марта 1812 года состоял при генерал-квартирмейстере 1 западной армии. В июне 1812 года поступил
в 5 корпус.

Участвовал в Отечественной войне 1812 года. За Бородинское сражение награждён орденом Святой Анны IV степени. Участвовал в боях за Тарутино, Малоярославец, Красное. За взятие Вязьмы награждён золотой шпагой за храбрость.

В заграничных походах 1813 года участвовал в боях за Бауцен, Кульм, Лейпциг,
Фер-Шампенуаз. 11 сентября 1813 года откомандирован в корпус Платова. 16 марта 1813 года произведён в поручики, с 2 ноября 1813 года в звании штабс-капитан.

Награждён орденом Святого Владимира IV степени с бантом, орденом Святой Анны II степени, прусским орденом За заслуги, Кульмским крестом, баварским орденом Максимилиана, австрийским орденом Леопольда.

В 1814 году переведен в Гвардии генеральный штаб. С 20 августа 1814 года в звании капитан, с 7 марта 1816 года в звании полковник. Был обер-квартирмейстером
при 1 резервно-кавалерийском корпусе, в 1817 — 1818 году был начальником штаба гвардии отряда во время пребывания гвардии в Москве.

За неисправность унтер-офицеров на параде 6 января 1818 года был арестован
по приказу Александра I. В знак протеста подал в отставку и 7 октября 1818 года уволен.

В конце 1810 года вступил в масонскую ложу «Елизаветы к добродетели», в 1814 году был членом масонской ложи во Франции. С 1816 года член ложи «Трёх добродетелей», с июня 1817 года до августа 1818 года — наместный мастер ложи.

Состоял членом организации «Священная артель», был основателем Союза спасения, членом Военного общества. До мая 1819 года являлся членом Союза благоденствия, членом Коренного совета, некоторое время руководил Московской управой. Принимал участие в создании «Зелёной книги» Союза благоденствия. В 1819 году объявил о выходе из Союза благоденствия.

Арестован в имении жены селе Ботове Волоколамского уезда 8 января 1826 года
по приказу от 5 января 1826 года. 13 января доставлен в Санкт-Петербург на главную гауптвахту, 14 января переведён в Петропавловскую крепость.

Осуждён по VI разряду 10 июля 1826 года; приговорён к ссылке в Сибирь без лишения чинов и дворянства. Выехал из Санкт-Петербурга в Якутск 28 июля 1826 года; супруга решила последовать за своим мужем; им было запрещено ехать вместе.

Прибыл в Ялуторовск 28 августа 1826 года. После ходатайства тещи княгини Шаховской место ссылки было изменено на Верхнеудинск. Муравьёв узнал об этом по дороге
в Якутск. Прибыл в Верхнеудинск 24 января 1827 года. Просил разрешения поступить на гражданскую службу, что было разрешено 30 ноября 1827 года.

19 января 1828 года был назначен городничим в Иркутск, вступил в должность
23 апреля 1828 года. 11 июля 1831 года назначен на должность председателя Иркутского губернского правления в чине статский советник.

25 июня 1832 года был назначен председателем Тобольского губернского правления; прибыл в Тобольск 28 октября того же года. С 30 октября 1832 года исправлял должность тобольского гражданского губернатора.

Из-за конфликта с генерал-губернатором Западной Сибири Вельяминовым 25 января 1834 года переведён в Вятку на должность председателя уголовной палаты. Однако преемник Вельяминова Сулима в конце того же 1834 года выразил желание возвратить Муравьева в Тобольск на прежнюю губернаторскую должность.

25 мая 1835 года назначен председателем Таврической уголовной палаты. В 1837 году несколько раз исполнял обязанности гражданского губернатора. Из-за конфликта
с генерал-губернатором графом Михаилом Воронцовым, 6 ноября 1837 года переведён на должность гражданского губернатора в Архангельскую губернию. Из-за крестьянских волнений в Ижемской волости уволен от должности губернатора 7 июня 1839 года.

С 15 апреля 1843 года состоял на службе в Министерстве внутренних дел. 16 февраля 1846 года назначен членом Совета министров, проводил ревизии различных губерний.

С 18 сентября 1848 года — действительный статский советник.

С мая 1851 года полковник Генерального штаба: на военной службе по личной просьбе. В июле 1854 года откомандирован в Польшу. С августа 1854 года состоял при Главном штабе действующей армии. С 27 марта 1855 года в звании генерал-майор. Участвовал
в Крымской войне. С 28 июля 1855 года в отпуске для лечения катаракты.

С 10 сентября 1856 года в должности нижегородского военного губернатора. Добился высылки помещика Шереметева за жестокое обращение с крепостными.

Участвовал в подготовке крестьянской реформы. С апреля 1861 года в звании
генерал-лейтенант.

Из-за конфликта с Шереметевым 16 сентября 1861 года уволен от должности
с переводом в Москву. Назначен сенатором.

Скончался 18 декабря 1863 года в Москве; похоронен в Новодевичьем монастыре.