ראש המטה הכללי של הצבא הגרמני, אריך פון פאלקנהיין, האמין כי ייתכן שלא ניתן יהיה להגיע לפריצת דרך, ומשום כך התמקד בהסבת אבדות כבדות לצרפתים אשר יגרמו להם להיכנע, או כפי שניסח זאת: "לגרום לצרפת לדמם עד לבן". כפועל יוצא של תוכנית זו הוא אימץ שתי אסטרטגיות: הראשונה הייתה , כדי לנתק את מדינות ההסכמה מאספקת הציוד מעבר לים, והתקפות ממוקדות מרובות נפגעים נגד החיילים הצרפתים. במטרה להסב את מרב הנפגעים, הוא תכנן לתקוף במקום שממנו הצרפתים לא יוכלו לסגת, הן מסיבות של זניחת עמדות אסטרטגיות והן מסיבות של גאווה לאומית, ובכך קיווה לכלוא אותם. העיירה ורדן נבחרה לשם כך משום שהייתה מעוז חשוב מוקף בטבעת של מבצרים אשר שכן בסמוך לקו החזית הגרמני ומשום ששמרה של הדרך הישירה לפריז. שם המבצע היה "Gericht" (בעברית: משפט, אם כי הכוונה הייתה למקום של הוצאה להורג).
פלקנהיין תחם את החזית ל-5–6 קילומטרים על מנת לרכז את כוח הירי וכדי למנוע פריצת דרך ממתקפת נגד. הוא גם שמר בקפידה על עתודות המזון, בספקו מזון שיאפשר את המשך הקרב בלבד. בהכנותיהם לקרב ריכזו הגרמנים מטוסים בסמוך למבצר, וכהקדמה לקרב סרקו מהאוויר נקודות ציון לצורך הכוונה מדויקת של הארטילריה. מנגד, לקראת מאי פרשו הצרפתים אסקדרון של מטוסי ניופור. המרחב האווירי הצפוף מעל ורדן הפך לשדה קרב אווירי והדגים את החשיבות של עליונות אווירית טקטית, כשכל צד ניסה לגבור על השני בעזרת ביון אווירי.
קרב ורדן.
קרב ורדן החל ב-21 בפברואר 1916 עם הפגזה ארטילרית גרמנית כבדה, שלאחריה התקדם הצבא הגרמני לעבר החפירות הצרפתיות תוך שימוש בלהביורים, לראשונה במלחמה. למרות ההתקדמות הגרמנית האיטית וכיבוש מצודת דואומון, הכוחות הגרמניים לא הצליחו לכבוש את ורדן עצמה, ואף מטרתה העיקרית של המתקפה, לגרום לצבא הצרפתי "לדמם למוות", נכשלה אף היא, כפי שהוכיחה כמות האבדות הנכבדת בצד הגרמני.
אסטרטגית הייתה ההתקפה אסון לגרמנים, במיוחד בהשוואה לאפשרויות האחרות שהיו פתוחות לפניהם — התקדמות נוספת בחזית המזרחית, והוצאת האימפריה הרוסית מחוץ למלחמה, תוך כיבוש שדות התבואה של אוקראינה. למרות זאת, כמות האבדות הצרפתית הייתה מזעזעת. ככל הנראה, אנושיותו של המרשל פטן, שהתעקש כי החיילים יוחלפו בצורה סדירה נוכח הזוועות הללו, היא שתרמה למוניטין שלו, והיו לכך השלכות הרות אסון על צרפת בעתיד.
הקרב על הסום.
באביב של 1916 היו מפקדי כוחות ההסכמה מודאגים לגבי יכולתם של החיילים הצרפתים להתגבר על האבדות הכבדות שספגו בקרב ורדן. התוכניות המקוריות למתקפה על נהר הסום שונו על מנת להעביר את עיקר הנטל אל הבריטים. ב-1 ביולי פתחו אוגדות בריטיות במתקפה בפיקרדי על נהר הסום, בתמיכה של חמש אוגדות בריטיות לימינן, עת פרצו לעבר חפירות הגרמנים לאחר הפגזה ארטילרית. בסוף יום הלחימה הראשון ספגו הבריטים כ-60,000 נפגעים, מתוכם 20,000 הרוגים.
בקרב נעשה שימוש לראשונה בטנקים, אך הפעלת הטנקים הייתה מוגבלת ובלתי יעילה בעליל. במהלך חודשי הלחימה השתפרה הטקטיקה של הצבא הבריטי כתוצאה מהלקח שנלמד בימי הלחימה הראשונים, וכוחות רגלים, ארטילריה וחיל אוויר שולבו יחד להשגת הכרעה. לאור הלקח מוורדן לגבי עליונות אווירית, הפילו הבריטים מטוסים גרמניים רבים, תוך שימוש בשילוב של מטוסים ליצירת מבנה. כמו כן, הקרב לימד את הבריטים להקטין את יחידות הפעולה של הרגלים מפלוגה, למחלקה ואף לכיתה בהמשך המלחמה.
הקרב הסתיים לאחר ארבעה וחצי חודשים, כאשר המפקד הבריטי, דאגלס הייג, הורה על הפסקתו. הוא זכור בעיקר כדוגמה למתקפה חזיתית חסרת תוחלת על עמדות מוגנות היטב. בסוף הקרב הצליחו מדינות ההסכמה להתקדם כעשרה ק"מ, במחיר של יותר ממיליון נפגעים לשני הצדדים. המספר הכולל של הנפגעים בסיום הקרב הסתכם בכ-420,000 בריטים, 200,000 צרפתים ו-465,000 גרמנים. הקרב על הסום הביא להקטנת הלחץ הגרמני בקרב ורדן, משום שהגרמנים נאלצו להעביר חלק מכוחותיהם מוורדן, כדי לעמוד בפני ההתקפה הבריטית-צרפתית המשולבת בסום.
בקיץ 1916 נערכה בחזית המזרחית מתקפת ברוסילוב, אשר הייתה המתקפה הגדולה ביותר של הצבא הרוסי בחזית המזרחית. היא נערכה בשטח אוקראינה - בתאריכים 4 ביוני עד ה-20 בספטמבר 1916. היא נקראה על שם אלכסיי ברוסילוב, גנרל רוסי, מפקד החזית הדרום-מערבית שיזם, תכנן את המתקפה והכניס שיטות צבאיות חדשות שתרמו להצלחת המתקפה. המתקפה הייתה מוצלחת, והביאה לשבייתם של 200,000 חיילים אוסטרו-הונגרים. בעקבות כך שלחו הגרמנים כוחות מהחזית המערבית למזרח, וביולי 1916 הצליח אלכסנדר פון לינסינגן לבלום את הרוסים בקרב קובל.
קו הינדנבורג.
בחודש אוגוסט התחלף הפיקוד הגרמני בחזית המערבית, עת פאול פון הינדנבורג ואריך לודנדורף תפסו את מקומו של פלקנהיין שהתפטר, ואילו לאופולד, נסיך בוואריה החליף את הינדנבורג בפיקוד העליון בחזית המזרחית. המפקדים החדשים הכירו מיד בכך שקרב ורדן והקרב על הסום שחקו את יכולות המתקפה של הצבא הגרמני, ולפיכך החליטו שהצבא הגרמני בחזית המערבית יעבור למגננה למשך רוב שנת 1917, בעוד שהמאמץ המלחמתי של מעצמות המרכז יתמקד במקום אחר.
במהלך הקרב על הסום ובמשך חודשי החורף, בנו הגרמנים מערכת ביצורים מאחורי אחד המקטעים בחזית, אשר נועדה לצמצם את החזית הגרמנית ולאפשר את העברתן של עשר אוגדות לצרכים אחרים. מערכת זו נקראה קו הינדנבורג, והיא נמתחה מאראס דרומה לסן-קנטן – צמצום של כ-50 ק"מ בחזית הגרמנית.
1917 – יתרון למדינות ההסכמה.
קו הינדנבורג נבנה כ-30–50 ק"מ מאחורי קו החזית הגרמני. ב-9 בפברואר נסוגו כוחות גרמניים אל הקו, נסיגה אשר הושלמה ב-5 באפריל תוך שהיא מותירה אחריה אדמה חרוכה. הנסיגה רוקנה מתוכן את האסטרטגיה הצרפתית של תקיפת שני אגפיו של מבלט נואיון, שכן הוא חדל מלהתקיים. עם זאת, התקדמות בריטית נמשכה שכן, במובן מסוים, הנסיגה הגרמנית נבעה מהאבדות הרבות שספגו הגרמנים בקרב ורדן ובקרב על הסום, למרות אבדות גבוהות יותר בקרב מדינות ההסכמה.
במקביל האמריקאים הצטרפו למלחמה באפריל 1917 בעקבות פרסומו של מברק צימרמן, מברק מוצפן ששלח שר החוץ של גרמניה, ארתור צימרמן, מגרמניה למקסיקו ויורט ופוענח בידי המודיעין הבריטי. במברק הציעה גרמניה למקסיקו ברית צבאית נגד ארצות הברית תמורת תמיכה כלכלית והבנה גרמנית שעל מקסיקו להחזיר לעצמה את דרום-מערב ארצות הברית שאבדו במלחמת ארצות הברית–מקסיקו. כמו כן, כנגד כל כלי שיט, אשר גרמניה פתחה בה בשנית בשנת 1917, לאחר לחץ ציבורי בגרמניה עקב מחסור במזון, הייתה אחד הגורמים אשר זירזו את כניסתה של ארצות הברית למלחמה. במהלך מלחמת הצוללות הוטבעו אוניות רבות ובכללן גם אוניות אמריקאיות. להצטרפותה של ארצות הברית למלחמה היה גם מניע כלכלי: מלחמת הצוללות פגעה בסחר הימי ובכך פגעה בקשרי המסחר של ארצות הברית עם בריטניה, וגרמה לה נזק כלכלי כבד. היה חשש כי כספים רבים שהושקעו בקשרים כלכליים אלה, במיוחד עם בריטניה, ירדו לטמיון.
לקראת 1917 היה גודלו של הצבא הבריטי בחזית כשני שלישים מגודלו של הצבא הצרפתי. באפריל פתחו כוחות האימפריה הבריטית במתקפה שהחלה את קרב אראס. הגיס הקנדי ואוגדת הרגלים החמישית הבריטית תקפו את הקווים הגרמניים ברכס וימי אך ספגו אבדות כבדות. מתקפה זו של מדינות ההסכמה הסתיימה עם הסירוב לשלוח תגבורת לאזור.
בחורף 1916–1917 שופרו טקטיקות הלוחמה האווירית של הגרמנים, ובית ספר לאימון טייסי קרב הוקם בוואלנסיין במקביל לייצור מטוסים עם מקלע כפול. ההשלכות של הדבר היו הרות אסון עבור הכוח האווירי של מדינות ההסכמה – לא ניתן היה לשחזר ההצלחות האוויריות מעל הסום והגרמנים הסבו אבדות רבות. למשל, במהלך המתקפה באראס איבדו הבריטים 316 אנשי צוות אוויר והקנדים איבדו 114, לעומת 44 אצל הגרמנים.
המהפכה הרוסית.
במרץ 1917 הגיעו לשיאן ההפגנות בפטרוגרד בהתפטרותו של הצאר ניקולאי השני ומינויה של ממשלה זמנית חלשה, שלמעשה חלקה את כוחה עם הסובייט של פטרוגרד. בעוד שמצבה של רוסיה בחזית הלך והדרדר התמידה הממשלה הזמנית במדיניות של המשך המלחמה, דבר שהביא לירידה גדולה בפופולריות שלה. אי שביעות הרצון מהמלחמה שימשה יפה את המפלגה הבולשביקית, שהונהגה על ידי ולדימיר איליץ' לנין, וחיזקה אותה.
ניצחון הבולשביקים בנובמבר לווה בדצמבר שאחריו בשביתת נשק ובשיחות עם גרמניה. בתחילה סירבו הבולשביקים להסכים לתנאים הגרמניים הקשים, אולם משחידשה גרמניה את המלחמה וצעדה ללא חת לאורך אוקראינה הסכימה הממשלה החדשה לחוזה ברסט-ליטובסק, ב-3 במרץ 1918, שהוציא את רוסיה מחוץ למלחמה, ואילץ אותה למסור למעצמות המרכז שטחים נרחבים, כולל פינלנד, הפרובינציות הבלטיות, פולין ואוקראינה.
תנודות במורל הצרפתי.