1914年8月，应盟国要求，俄国命令西北、西南两个方面军同时发动攻势，以减轻德军对西线的压力。东普鲁士战场成为俄军的西北战线。8月17日，俄军越过边界，20日在冈比宁战役中获胜。德军新任东线总司令兴登堡及参谋长鲁登道夫采取集中优势兵力、各个击破的战术，于8月26至28日包围了俄第二集团军，俄军全军覆没。9月11日，德军又攻下俄军第一集团军司令部所在地。13日，俄军退出东普鲁士。俄军虽然失败，但此役和俄军西南方面军的加利西亚战役共同起到了配合西线协约国军的作用。
塞尔维亚抗击奥匈帝国
南线，塞尔维亚抗击奥匈帝国的战争是一战初期唯一的正义战争。1914年8月13日，奥匈军队越过德里纳河，开始入侵塞尔维亚。虽然塞尔维亚人口不多，战备物资也极为缺乏，但人民士气高昂，顽强英勇。经过4天的战斗，奥匈军队被逐回德里纳河对岸。之后，奥匈军队又发动两次进攻，甚至曾一度占领贝尔格莱德，但很快又被塞军收复。奥军在巴尔干战场损失了28万多人，直到1915年10月近一年的时间里，巴尔干战场基本上保持平静。
攻守易位
综观1915年战局，同盟国虽然取得东线战场的重大胜利，但没有从根本上改变不利的战略地位。俄国尚未退出战争，同盟国仍然不得不同时在两条战线上作战。1916年的战局开始有利于协约国，特别是德军在凡尔登进攻的失败，标志着战略主动权已开始转移到协约国一方，从此，同盟国在西线转入战略防御。
伊普尔战役
1915年4月22日，德国第四集团军向比利时西部伊普尔的英、法联军阵地连续施放6000罐、18万千克氯气。这是人类战争史上首次大规模使用毒气，结果造成英、法军队1.5万人中毒，其中5000人死亡。德军趁机迅速占领朗厄马克和皮尔克姆，并将战线向伊普尔—科米讷运河推进，但由于没有预备队，未能扩大战果。此时，英、法援军迅速堵住缺口，战线趋于稳定。24日，德军实施第二次毒气攻击，但未达到目的。4月26日至5月12日，德军付出巨大伤亡代价，迫使英军撤至伊普尔城郊，不过未取得重大战略突破。5月25日，战役结束。在这场战役中，英军损失6万人，法军损失1万人，德军伤亡3.5万人。
意大利与保加利亚参战
意大利虽是三国同盟的成员，却于1914年8月3日宣布中立。意大利以中立和参战为要挟手段，向同盟国和协约国双方讨价还价，最后协约国方面满足了它的要求。1915年5月，意大利向奥匈帝国宣战。6月29日至12月10日，意军在伊崇佐河发动了4次进攻，损失兵力28万，但只把战线向前推进了15至20千米。保加利亚位于巴尔干半岛中部，并拥有一支强大军队，因德国满足了它占领塞尔维亚土地的要求，遂于9月参加中欧同盟国方面作战。9月末，保加利亚、奥匈和德国的65万军队大举进攻塞尔维亚，很快击溃塞军。1916年初，塞尔维亚王室、官吏、残余军队和部分难民，由英、法护送，在希腊科孚岛成立流亡政府。
凡尔登战役
凡尔登战役是第一次世界大战期间法国军队在凡尔登地区抗击德国军队进攻的决定性战役。凡尔登是巴黎以东的要塞，为交战双方的必争之地。1916年2至9月，德军几次向凡尔登要塞猛攻，但由于法军凭借纵深防御体系顽强抵抗而始终未能攻陷。10月，法军大举反攻，夺回杜奥蒙堡，收复沃堡。12月，法军以8个师的兵力再次反攻，基本上收复了马斯河东岸被德军攻占的阵地。凡尔登战役是典型的阵地战、消耗战，双方伤亡近100万人。由于人员伤亡惨重，凡尔登战场又被称为“绞肉机”、“屠场”和“地狱”。这次战役是第一次世界大战的转折点，德国从此逐渐走向失败。
索姆河战役
索姆河战役是第一次世界大战中期，英法联军在法国北部索姆河地区对德军阵地展开进攻的战役，从1916年6月24日开始，至11月中旬结束。德军兵力为67个师，英、法兵力为86个师。英法联军采取对有限目标逐次攻击的战法，先后发动3次进攻，试图通过频繁进攻消耗德军有生力量，以突破德军防线。9月15日，英军在进攻中首次使用坦克。在9月下旬和11月的进攻中，英军又两次使用坦克，但使用数量较少，效果不大。索姆河会战是第一次世界大战中规模最大的一次战役。双方伤亡约134万人。英法联军虽然没有达到突破德军防线的目的，但牵制了德军对凡尔登的进攻，进一步削弱了德军实力。
日德兰海战
一战爆发后，英国对德国实行海上封锁，使德国陷入困境。德国海军决定同英国海军展开决战，以打破封锁。1916年5月31日，双方在日德兰半岛以西斯卡格拉克海峡附近海域遭遇并展开战斗。海战历时12小时结束。日德兰海战是第一次世界大战期间规模最大的海战，也是世界海战史上最后一次战列舰大编队交战。双方均损失惨重，未达到战役的预期目的。但是，英国和德国的舰队主力并未进行决战，战后双方在北海的力量对比和军事态势未发生重大变化。
相持状态
1917年，战争仍处于相持状态。德军在各条战线上基本采取守势，把希望主要寄托在“无限制潜艇战”上。协约国方面曾在西线发起几次进攻，但都未取得决定性进展。俄国爆发二月革命后，资产阶级临时政府曾在东线发动进攻，但9月以后德国反击，占领里加，进而威胁彼得格勒。意大利战线上，意军再遭惨败。1917年4月16日，美国对德宣战。美国的参战使协约国力量大大增强。
康布雷战役
1917年11至12月，英军在法国北部康布雷西南地区对德军实施了坦克进攻。1917年11月，为了支援意军和再次检验坦克的进攻威力，英国远征军司令黑格将军决定在地形平坦、适于坦克作战的康布雷西南地区向德军发动进攻，试图一举突破“兴登堡防线”。11月20日拂晓，英军坦克部队在步兵配合下向德军防线发起突击。此后，英军重点进攻布尔隆森林，以巩固既得阵地。但在德军的强大攻势下，英军被迫于12月5日开始后撤，放弃布尔隆森林、马尔宽等地。为了粉碎德军合围的企图，英军又投入70余辆尚有战斗力的坦克参加战斗。12月6日，战役结束。英军损失4.3万人，德军损失4.1万人。
