김무열의 아버지가 쓰러진 2002년 20살 때부터 실질적인 가장으로 생계를 책임지다보니 병역을 미루게 됐다고 한다. 당시 아버지가 부도가 나고 쓰러지면서 3억원 가량의 빚을 떠안았는데, 병원비와 이자, 생활비까지 감당하다보니 빚이 늘어갔다. 이에 동생은 입을 덜기 위해 입대를 했고 어머니도 일정한 수입이 없어서 김무열이 지하철 전선연결이나 각종 막노동을 했다고 한다. 이후 2010년 생계유지 곤란을 이유로 병역 면제 판정을 받았다. 그런데 재조사 과정에서, 스타가 된 이후 영화 공연 등의 활동으로 3억 원의 수입을 올린 사실이 드러나 문제가 되었다. 거기에 담당 공무원의 착오로 제2국민역 처분까지 내려졌다. 결국 논란이 거세게 일자 2012년 10월 대한민국 육군에 자진 입대하며 현역 병으로 복무해 논란이 종결되었다. 후에 연예병사로 차출 되었으나 연예병사 제도가 내외부 문제로 해체된 후 제12보병사단에서 복무를 완료하였다.