Театр военных действий был образован из двух фронтов – Северо-Западного (главком Я. Жилинский) против Германии и Юго-Западного (главком Н. Иванов) против Австро-Венгрии. Вся территория империи делилась на две части: фронтовую и внутреннюю, тыловую. Верховный главнокомандующий получал неограниченные права на фронте, подчиняясь непосредственно царю. В тылу войска по-прежнему подчинялись военному министру Сухомлинову. В его же ведении оставалось боевое снабжение армии. Таким образом, единство фронта и тыла с самого начала войны было поставлено под угрозу, что отрицательным образом сказалось на организации всенародного отпора врагу.
Как и предполагалось до войны, германские части нанесли удар по Франции с запада. Французы оказались совершенно не готовы к их наступлению со стороны Бельгии, сосредоточив почти все свое войско на восточной границе. 7 августа 1914 г. (по нов. ст.) немцы вошли в Льеж, отбросили бельгийские войска к Брюсселю и дальше к морю. В 20-х числах августа германские ударные группы разбили французские и английские части в районе франко-бельгийской границы и стали приближаться к Парижу. Над союзником России нависла реальная угроза полного разгрома, и французское правительство требовало скорейшего перехода русских армий в наступление против Германии.
4 (17) августа 1914 г. Россия, верная союзническому долгу, вторглась в пределы Восточной Пруссии и атаковала германские пограничные части силами Северо-Западного фронта. Против оборонявшей Восточную Пруссию 200-тысячной 8-й германской армии генерала Притвица действовали две недостаточно укомплектованные русские армии: 1-я П. Ренненкампфа и 2-я А. Самсонова. У обоих был за плечами боевой опыт русско-японской войны, на них возлагались большие надежды.
1-я армия наступала с северо-востока, со стороны реки Неман, 2-я с юго-востока, со стороны реки Нарев. Русские армии двигались в обход Мазурских болот, пытаясь тем самым отрезать немецким корпусам пути отхода к Висле и сильно укрепленному Кенигсбергу. Превосходя 8-ю германскую армию по численности в живой силе, русские уступали ей в артиллерии: 500 германских орудий на 380 русских. 7(20) августа в сражении у Гумбиннена 1-я русская армия нанесла немцам тяжелое поражение. Неся большие потери, они в беспорядке отошли на юг, а генерал Притвиц отдал распоряжение оставить Восточную Пруссию и отступить за Вислу. Казалось, русским удалось добиться решающего успеха – операция была проведена четко.
Германский Генеральный штаб, чтобы избежать катастрофы на востоке, предпринял ряд решительных действий. Во-первых, с западного фронта в срочном порядке были сняты и переброшены в Восточную Пруссию два корпуса и одна кавалерийская дивизия. Еще один корпус, выведенный из Франции, оставался в Германии в резерве. Тем самым натиск немцев во Франции значительно ослаб, что сыграло немалую роль для французов в ходе сражения на Марне. Во-вторых, Притвиц был смещен с поста командующего 8-й армией, и на его место был назначен старый вояка Гинденбург, начальником его штаба стал Людендорф. Новое командование отменило приказ об отступлении, перегруппировав силы, организовало мощный контрудар по разрозненным русским армиям.
Отсутствие должной координации частей со стороны главкома Северо-Западного фронта Жилинского и несогласованность в действиях Ренненкампфа и Самсонова позволили Гинденбургу разбить русские армии поодиночке и практически свести на нет достигнутые успехи русского оружия в Восточной Пруссии. Вместо того, чтобы быстро двигаться на юг для соединения с армией Самсонова, войска Ренненкампфа, придерживаясь поставленной Жилинским задачи, медленно продвигались в сторону Кенигсберга, увеличивая и без того большой разрыв, около 90 км, со 2-й армией. Самсонов, с трудом продвигаясь по сильно заболоченной местности, также все более уклонялся на запад, растянув армию в линию на 210 км без резервов, снабжения, устойчивой связи; идя вслепую, без разведки, не зная, где находится противник, переговариваясь по радио со штабами открытым текстом.
Гинденбург, сосредоточив основные силы против 2-й армии, обрушился на нее всей своей мощью. 13—18 (26—31) августа под Сольдау русские корпуса были разбиты, разрозненные остатки их отступили за реку Нарев. А. Самсонов, оказавшийся в окружении, утратил управление войсками и, предпочтя смерть позору неминуемого плена, застрелился. Разгромив 2-ю армию, германские войска перешли в наступление против Ренненкампфа и вынудили его отступить из Восточной Пруссии. Блестяще начатая восточно-прусская операция окончилась провалом. Россия выполнила обязательства перед союзниками дорогой ценой: 200 тыс. русских солдат и офицеров погибли в боях, 60 тыс. оказались в плену. Генерал Я. Жилинский был отстранен от должности, и на его место был назначен генерал Н. Рузский. Позднее был отправлен в отставку Ренненкампф.