מלבד האיבה הלאומית שחשו האוסטרו-הונגרים כלפי הסרבים ורצונם בנקמה על מות הארכידוכס. סרביה ניצבה בראשית 1915 בעמדה אסטרטגית עבור מעצמות המרכז. אפשרות הגישה היבשתית בין גרמניה לטורקיה, באמצעותה יכלו הגרמנים להעביר באמצעות רכבות סיוע ותחמושת לאימפריה העות'מאנית, עברה דרך סרביה. באוקטובר 1915 שכנעו הגרמנים את קונרד פון הצנדורף לנסות לכבוש את סרביה פעם נוספת, ובסיוע כוחות גרמניים ובולגריים, הצליח הצבא במשימתו וכבש את סרביה. התבסס על ניסיונם של הגרמנים בחזית המערבית, החלו האוסטרו-הונגרים לבנות עמדות מבוצרות בנות מספר קווי הגנה.. הכוחות הסרבים הלוחמים חולצו במבצע ימי, בסיוע מדינות ההסכמה לאי קורפו. בינואר 1916 הפעיל הצבא האוסטרו-הונגרי משטר צבאי בכל שטחה של סרביה ושל מונטנגרו. אדולף פון רמן צו בארנספלד לתפקיד המושל הצבאי של המדינה מטעם מעצמות המרכז. האוסטרו-הונגרים הציבו בסרביה כוחות ז'נדרמריה בלבד לצורכי שיטור פנים והסתמכו על הכוחות הבולגריים והגרמניים לצורך הגנת גבולות המדינה.
באלבניה הוצב הקורפוס ה-19 אשר החזיק בקו חזית בן 100 קילומטרים מול הקורפוס ה-16 האיטלקי והיה מעורב במספר קרבות מול הסרבים בגזרת אגם אוחריד. בין ינואר 1915 לאוקטובר 1917 פיקד על הקורפוס איגנץ טרולמן פון לובצ'נברג, ממועד זה ועד יולי 1918 לודוויג קונן הוראק פון הנקמפף ומיולי ועד התבוסה באוקטובר קרל פון פלאנצר באלטין.
החזית המזרחית.
החזית העיקרית של אוסטרו-הונגריה הייתה יחד עם גרמניה מול רוסיה, בה ריכזה את רוב כוחותיה. האוסטרו-הונגרים פרסו נגד הרוסים 4 ארמיות שכללו 35 דיוויזיות חיל רגלים ו-11 דיוויזיות פרשים, סך הכל כ-850,000 חיילים ולמעלה מ-1000 תותחים.
התוכנית האוסטרו-הונגרית בראשית המלחמה הייתה לפלוש לחלקה הרוסי של פולין (פולין הייתה מחולקת מאז סוף המאה ה-18 בין גרמניה, אוסטריה ורוסיה) ולכתר את הכוחות הרוסיים העיקריים בדרום פולין. הרוסים למדו על התוכניות האוסטרו-הונגריות ממודיעין צבאי איכותי, רובו פרי הפעלת המרגל קולונל אלפרד רדל, ונערכו מולן. בתאריכים 18 באוגוסט 1914 - 26 בספטמבר 1914 התחולל קרב גליציה בו נלחמו הרוסים מול האוסטרו-הונגרים ללא סיוע גרמני. הקרב הסתיים בניצחון רוסי מוחץ. לקראת סוף ספטמבר הרוסים כבשו את כל מזרח גליציה ובוקובינה כולל העיר צ'רנוביץ. ב-10 בנובמבר הצבא הרוסי עבר את הרי הקרפטים והחל לפעול מערבה להרים. בנוסף לכך הצבא הרוסי החל במצור על פשמישל שנמשך כ-100 ימים. הרוסים הפסיקו את המתקפה רק בעקבות הריסת גשרים על הנהרות והגעת תגבורת גרמנית לאזור.
אמנם הרוסים לא הצליחו להביס את הצבא האוסטרו-הונגרי אך הצליחו להשיג הישג קרקעי משמעותי ואיפשרו לסרביה להמשיך בלחימה עד לשנת 1915. הצבא האוסטרי לא הצליח לשקם את עצמו לאחר הקרב והיה צריך להסתמך על העזרה מבת בריתה - האימפריה הגרמנית. הדבר ריתק לחזית המזרחית כוחות גרמניים והגביל את אפשרותם להעביר כוחות לחזית המערבית.
בקיץ 1915 נערכה מתקפת גורליצה-טרנוב, מתקפה משולבת של גרמניה ואוסטרו-הונגריה בחזית גליציה, שהצליחה להסיג את הרוסים מהשטחים שכבשו. הפיקוד על המבצע היה גרמני ואוסטרו-הונגריה השתתפה בו בכוח של ארמייה אחת (הארמייה השלישית). בקיץ הבא תקפו הרוסים דרך אוקראינה (מתקפת ברוסילוב) ושבו ותפסו שטחים עד הרי הקרפטים, תוך שהם מכים את הצבא האוסטרו-הונגרי וגורמים לו אבדות של למעלה מחצי מיליון הרוגים ופצועים וכמספר הזה שבויים. הצבא האוסטרו-הונגרי בחזית המזרחית לא התאושש עוד ממכה זו. ביוני 1917 תקפו הרוסים בפעם האחרונה, במסגרת מתקפת יוני, שכשלה בשל כושר העמידה הגרמני והתפוררות ממשלת המעבר הרוסית של אלכסנדר קרנסקי לקראת מהפכת אוקטובר.
החזית האיטלקית.
ממלכת איטליה הייתה חתומה מאז 1882 עם גרמניה ואוסטרו-הונגריה על הסכם הגנה הדדי שנקרא "הברית המשולשת". עם זאת, ב-1902 חתמה עם צרפת חוזה סודי נפרד, שרוקן את הברית המשולשת מתוכנה. עם הזמן אף הבינו המדינאים האיטלקים שהסכם עם האוסטרו-הונגרים לא יסייע להם להשיג את הטריטוריות האיטלקיות שנמצאו בשליטת האימפריה האוסטרו-הונגרית כדרום טירול, טרנטינו, טרייסט, דלמטיה, איסטריה וצארה (זאדר). עם פרוץ המלחמה סירבה איטליה להפעיל את הברית, בטענה הפורמלית שהברית היא ברית הגנתית ואילו אוסטרו-הונגריה הייתה התוקפנית במלחמה. ב-26 באפריל 1915 נחתמה ברית לונדון בין איטליה לבין בריטניה, צרפת ורוסיה, שבטיחה לאיטלקים לאחר הניצחון נתחים מהאימפריה האוסטרו-הונגרית. ב-23 במאי, בעקבות הבאת ההסכם לפרלמנט ובתמיכת המיעוט הלאומני, הכריזה ממלכת איטליה מלחמה על אוסטרו-הונגריה.
ההתקפה האוסטרית, שהוגדרה כ"משלחת עונשין" (Strafexpedition) מצאה את צבא איטליה ערוך במערך הגנתי בעמק איזונצו (נהר סוצ'ה בסלובניה של ימינו). מערך זה בלם את ההתקפה האוסטרו-הונגרית בקרב הראשון על האיזונצו והוביל לעוד אחד-עשר הקרבות על הנהר איזונצו בהם לא הושגה הכרעה של ממש, למעט הישגים זעירים. בכל קרבות האיזונצו פיקד על הצבא האוסטרו-הונגרי הגנרל סבטוזר בורוייביץ', אחד המפקדים המעולים במלחמה ואחד המפקדים הבכירים הבודדים בצבא אסטרו-הונגריה שהיה ממוצא קרואטי והבכיר שבהם. בין 10 עד ה-15 במאי 1916 התחולל קרב אסיאגו, מתקפה גדולה של הצבא האוסטרו-הונגרי נגד הצבא האיטלקי שצליחה בהתחלה אך נהדפה ובסיום הקרב שבו הכוחות האוסטרים לנקודת ההתחלה.
המצב הסטטי בחזית זו נשבר באוקטובר 1917, כאשר לעזרת האוסטרו הונגרים נחלץ כוח גרמני של חיילי סער גרמניים בפיקודו של גנרל אוטו פון בלוב. הכוח המשולב הימם את האיטלקים שלא יכלו לו. תוך זמן קצר החלה מנוסת בהלה של כל הצבא האיטלקי. ב-30 באוקטובר היה הצבא האיטלקי על סף התמוטטות כללית. הוא נסוג כ-100 קילומטרים והתייצב על גדות הנהר פיאווה, 30 ק"מ בלבד מצפון לוונציה. רק התארכות קווי האספקה הגרמניים-אוסטריים גרמה להפסקת ההתקדמות.
אולם הזרמת תגבורות צרפתיות, בריטיות ואמריקאיות לצבא האיטלקי הצליחו לשקמו ויחד עם כוחות צ'כוסלובקיים שביקשו לנקום באוסטרו-הונגרים. ביוני 1918 הסכימו הרמטכ"ל האוסטרו-הונגרי ארתור ארץ פון שטראוסנבורג ומפקד הצבא האוסטרו-הונגרי בדרום טירול קונרד פון הצנדורף, לבקשתו של קרל הראשון, קיסר אוסטריה, לפתוח בהתקפה רחבת היקף על האיטלקים. שטראוסנבורג בחר לתקוף בחזית רחבה באזור הנהר פיאווה ואילו פון הצנדורף העדיף לתקוף באזור אסיאגו לעבר ויצ'נצה, חזית בה נחלו תבוסה שנתיים לפני כן בקרב אסיאגו. לבסוף נוהלה המתקפה בשתי החזיתות, דבר שהיה אחת הסיבות לכישלונה. הצבא האיטלקי הכיר את התוכניות האוסטריות ונערך מולן במערך מחוזק מבחינה לוגיסטית. אף על פי שקרב הנהר פיאווה פרץ אור ל-15 ביוני בהתקפה אוסטרו-הונגרית בהנהגת שטראוסנבורג בחזית הפיאווה, הצליחו הכוחות האיטלקים להתקדם ולהביס את ההתקפה. באותו זמן תקף קונרד פון הצנדורף באזור אסיאגו, אבל נהדף על ידי כוחות בריטים וצרפתים שגרמו לו אבדות כבדות. במקום להפסיק את ההתקפות באזור זה ולחבור לצבא האוסטרו-הונגרי בחזית הפיאווה, העדיף פון הצנדורף להמשיך בהתקפות כושלות במישור אסיאגו. לאור כישלון ההתקפה נתן הקיסר קרל שלקח על עצמו פיקוד על ההתקפה ב-20 ביוני פקודת נסיגה. עד 23 ביוני 1918 החזירו האיטלקים לעצמם את כל השטחים שאיבדו בתחילת ההתקפה. מפלת האוסטרו-הונגרים הייתה קשה במיוחד מבחינה מורלית כיוון שמפקדם העליון במתקפה זו היה הקיסר עצמו. הם לא התאוששו עוד מכישלון זה. ארבעה חודשים מאוחר יותר הצליחו האיטלקים ומדינות ההסכמה להשיג ניצחון מוחלט בקרב ויטוריו ונטו. האוסטרו-הונגרים נכנעו ב-3 בנובמבר 1918 לאחר כיבוש טריאסט.
במקביל לקרבות האחרונים על הנהר פיאווה, התקיימו שלושה קרבות על רכס ההרים השולט, קרבות מונטה גראפה היו קרבות הרריים קשים בשל הטופוגרפיה ומזג האוויר, בהם הצליחו הכוחות האיטלקים להגן על צפון איטליה מפני פלישה.
הפלישה הרומנית לטרנסילבניה.
ב-27 באוגוסט 1916 הצטרפה רומניה אל מדינות ההסכמה, והחלה בפלישה לטרנסילבניה שהייתה שייכת להונגריה, אך בעלת רוב אתני של רומנים. בתחילה נסוגו הכוחות ההונגרים מפני הפלישה הרומנית, אך לאחר קבלת סיוע גרמני נהדפה הפלישה בקרב טורטוקאיה על ידי כוחות גרמנים ובולגרים. בהמשך נכבש כמעט כל שטח רומניה בידי הגרמנים והאוסטרו-הונגרים (רומניה הודיעה על כניעתה בדצמבר 1917).
מעורבות בחזיתות נוספות.
בחזית המערבית לא היו מעורב הצבא האוסטרו-הונגרי למעט פלוגות ספורות שסייעו לגרמנים בצרפת ובבלגיה, בעיקר בארטילריה.
סיום המלחמה ותוצאותיה.
עם מותו של פרנץ יוזף ב-21 בנובמבר 1916, עלה לשלטון בווינה קרל הראשון. אחת מפעולותיו הראשונות הייתה כניסה לשיחות שלום סודיות עם צרפת; כמתווך שימש גיסו, הנסיך סיקסטוס מבורבון-פארמה, אחיה של אשתו, אשר היה קצין בצבא בלגיה. כאשר דבר השיחות דלף באפריל 1918, התנער קרל ממעורבות עד אשר ראש ממשלת צרפת, ז'ורז' קלמנסו חשף את ההתכתבות הסודית. הדבר גרם לאוסטריה להסתבך יותר ונדרשה ממנה מעורבות רבה יותר במלחמה מצד האימפריה הגרמנית בת בריתה.
המצב הכלכלי הפנימי הלך והתדרדר ועורר, יחד עם הכשלונות הצבאיים ומחיר הדמים הכבד, גלים של חוסר-שקט מבית, התקוממויות ושביתות, בפרט מצד סוציאליסטים שראו את המלחמה כמשחק של אריסטוקרטים לאומניים השולחים פועלים משני הצדדים להרוג אלה את אלה.