בספטמבר פתחו מדינות ההסכמה במתקפה נוספת, עת הצרפתים תקפו בשמפאן והבריטים בלוס. הצרפתים התכוננו לאורך הקיץ למבצע זה, כאשר הבריטים לקחו על עצמם קטע ארוך יותר מקו החזית על מנת לשחרר את הצרפתים לצורך המתקפה. ההפגזה בטרם הקרב, אשר כוונה בזהירות בסיוע תצלומי אוויר, החלה ב-22 בספטמבר. ההתקפה הצרפתית העיקרית החלה שלושה ימים לאחר מכן והתקדמה מאוד בראשיתה, למרות חוטי התיל והמקלעים. הגרמנים, במקום לסגת, אימצו שיטה חדשה של הגנה לעומק שכללה סדרת אזורי מגננה ועמדות בעומק 8 ק"מ.
ב-25 בספטמבר פתחו הבריטים במתקפתם בלוס, שנועדה לתמוך במתקפה גדולה יותר בשמפן. המתקפה באה לאחר הפגזה בת ארבעה ימים של 250,000 פגזים וירי של 5,100 פחיות של גז כלור. היא כללה שני גייסות במתקפה הראשית ושניים נוספים שביצעו מתקפות הסחה באיפר. הבריטים ספגו בקרב אבדות כבדות, בעיקר מאש מקלעים, והתקדמו מעט בטרם אזלו הפגזים שלהם. חידוש של המתקפה ב-13 באוקטובר הביאה לתוצאות מעט יותר טובות. לאחר הקרב, בדצמבר, הוחלף מפקד חיל המשלוח הבריטי, ג'ון פרנץ', בגנרל דאגלס הייג.
1916 – מלחמת התשה.
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.
קו הינדנבורג.
בחודש אוגוסט התחלף הפיקוד הגרמני בחזית המערבית, עת פאול פון הינדנבורג ואריך לודנדורף תפסו את מקומו של פלקנהיין שהתפטר. 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.
תנודות במורל הצרפתי.
בחודש אפריל הורה הגנרל הצרפתי רובר ניוול על מתקפה חדשה נגד החפירות הגרמניות בהבטיחו שזו תביא לניצחון. במתקפה, המכונה מתקפת ניבל, תוכננו להילחם 1.2 מיליון חיילים שילוו בטנקים ובארטילריה. במבצע הייתה ידם של הצרפתים, בתוספת שתי חטיבות רוסיות, על התחתונה – הגרמנים שלטו באוויר, השטח היה בעל עבירות נמוכה והחשאיות של המתקפה לא נשמרה. בתוך שבוע נהרגו 100 אלף חיילים צרפתים, ולמרות הבטחתו של ניבל, שאם המתקפה תיכשל, היא תופסק, המתקפה נמשכה אל תוך מאי. ב-3 במאי סירבו חיילי האוגדה הקולוניאלית הצרפתית השנייה המותשים, שלחמו בקרב ורדן, לפקודה להילחם ואף הגיעו שיכורים וחסרי נשק. לקצינים לא היו האמצעים להעניש את האוגדה כולה ולכן לא ננקטו צעדים משמעותיים נגד הסרבנים. בהמשך אירעו המרידות בצבא הצרפתי (1917), עם סך הכול של 20,000 חיילים שנטשו את שדה הקרב. כוחות אחרים של מדינות ההסכמה המשיכו לתקוף, אך ספגו אבדות משמעותיות. קריאות לפטריוטיות כמו גם מעצרים והליכים משפטיים עודדו את החיילים לחזור לחפירות, אם כי החיילים הצרפתים סירבו להשתתף במתקפות נוספות. ב-15 במאי הועבר ניבל מתפקידו והוחלף בגנרל פיליפ פטן, שעצר את המתקפות רחבות ההיקף. במשך החודשים הבאים עסקו הצרפתים בעיקר בהגנה כדי להחזיר את הביטחון והמורל לחיילים.