С первых дней войны немцы развернули стремительное и успешное наступление на Западном фронте. В результате возникла реальная угроза захвата ими Парижа. Идя навстречу просьбам союзников, русское командование, не дожидаясь сосредоточения всех сил на театре военных действий (оно могло быть достигнуто лишь на 40-й день после начала всеобщей мобилизации), развернуло операции в Восточной Пруссии. В боях под Гумбиненом немецкие войска потерпели тяжелое поражение. Сняв значительные силы с Западного фронта, германское командование смогло осуществить частичное окружение в районе Танненберга 2-й армии генерала А. В. Самсонова Около 30 тыс. человек попали в плен. В итоге русские войска были вытеснены из Восточной Пруссии. Тем не менее немцам пришлось ослабить свои силы на Западном фронте, что позволило англо-французским войскам в кровопролитном сражении на Марне остановить германское наступление. План «молниеносной войны» провалился благодаря крови, пролитой русскими солдатами в Восточной Пруссии. В августе — сентябре 1914 г. русские войска в грандиозной Галицийской битве нанесли тяжелое поражение австрийцам, потерявшим около 400 тыс. человек. Армии Юго-Западного фронта продвинулись на 280–300 км, захватив Галицию. Попытки немцев нанести поражение русским войскам в Польше (осенью 1914 г.) не увенчались успехом. На Кавказе в ходе Сарыкамышской операции русская армия разгромила турок, потерявших 90 тыс. человек. В целом итоги кампании 1914 г. были для Германии и ее союзников весьма неутешительными. Перед ними встала перспектива затяжной войны, которая позволяла Антанте реализовать свой перевес в людских и материальных ресурсах.
В 1915 г. германское командование сосредоточило крупные силы на Восточном фронте с тем, чтобы разгромить Россию и вывести ее из войны. В апреле 1915 г. австрийские и немецкие войска начали наступление в Галиции. Обеспечив себе превосходство в живой силе в 2 раза, в легкой артиллерии — в 4,5 раза, в тяжелой — в 40 раз, они прорвали фронт. Испытывавшие катастрофическую нехватку вооружения и боеприпасов, русские войска начали отходить на восток. Бездействие англичан и французов, использовавших затишье на западе для укрепления своих армий, создавало благоприятные условия для осуществления планов германского командования по разгрому России. В результате немецкого наступления весной и летом 1915 г. неприятелю удалось занять Галицию, Польшу, часть Прибалтики и Белоруссии.
Поражения на фронте стали одной из причин перемен в руководстве русской армией. В августе 1915 г. пост верховного главнокомандующего занял Николай II. Впрочем, в управление войсками царь практически не вмешивался. Фактическое руководство действующей армией осуществлял новый начальник штаба верховного главнокомандующего генерал М. В. Алексеев, талантливый военачальник, обладавший, помимо прочего, огромной работоспособностью.
В целом кампания 1915 г. стала трагедией русской армии, понесшей огромные потери. Однако добиться своей главной цели — вывести Россию из войны — Германия не смогла. Боевые действия продолжались.
1916 г. показал, что русская армия сохранила способность наносить неприятелю серьезные удары. Принятые (правда, со значительным опозданием) меры по переводу экономики страны на военные рельсы принесли плоды. Материальное обеспечение войск значительно улучшилось. В мае 1916 г. Юго-Западный фронт под командованием АА. Брусилова развернул наступление против австро-венгерской армии. Эта операция должна была помочь итальянским войскам (Италия в 1915 г. присоединилась к Антанте), которые потерпели от австрийцев сокрушительное поражение. Юго-Западному фронту удалось прорвать позиции австро-венгерской армии, которая в итоге потеряла более полумиллиона человек. «Брусиловский прорыв» явился одной из крупнейших операций Первой мировой войны. Правда, его результаты могли бы быть более значительными, если бы усилия Юго-Западного фронта своевременно поддержали войска других фронтов. Тем не менее успех русской армии оказал существенное влияние на общую стратегическую ситуацию. Немцы вынуждены были перебросить с Западного фронта на Восточный 11 дивизий и прекратить атаки в районе Вердена, где с начала 1916 г. развернулось кровопролитное сражение («Верденская мясорубка»). Итальянской армии удалось избежать полного разгрома. В целом Россия внесла огромный вклад в вооруженную борьбу Антанты с германским блоком. За 1914–1916 гг. немецкая армия потеряла на Восточном фронте 1739 тыс., а австрийская — 2623 тыс. человек убитыми, ранеными и пленными. На весну 1917 г. намечалось общее наступление армий Антанты на Западном и Восточном фронтах, чему, однако, помешала Февральская революция.