En , il est placé à la tête du groupe d'armées du Centre et dirige l'offensive de Champagne du : en quelques jours il fait , prend mais, perturbée par une pluie continuelle, cette offensive ne débouche pas sur une victoire stratégique. À la suite de ce fait d'armes, il est élevé à la dignité de grand-croix de la Légion d'honneur le et, deux mois plus tard, le , il est nommé chef d’État-Major général des armées françaises, poste qu’il occupe tout au long de l’année 1916. Dans cette fonction, il seconde le généralissime Joffre. Il apporte une contribution décisive à la bataille de Verdun. Contrairement à une majorité des officiers du qui ne croient pas à une offensive allemande à cet endroit, lui la redoute. Il intervient alors pour faire renforcer les défenses de la ville et fait mettre en alerte le d'armée à Bar-le-Duc pour pouvoir l'engager en renfort en cas d’attaque allemande. Celle-ci se déclenche le . Alors qu'après trois jours de combat, les défenses françaises sont en train de céder, Castelnau se rend à Verdun et prend les décisions capitales qui vont permettre la résistance. Il nomme le général Pétain et réorganise le commandement local. Tout au long des neuf mois que dure la bataille, il intervient pendant les épisodes les plus critiques. Après six semaines de combats, il décide de nommer le général Nivelle, le général Pétain prenant le commandement du groupe des armées du Centre (GAC). C'est lui enfin qui ordonne au mois de , contre l’avis des officiers de l'entourage de Joffre, la dernière offensive transformant cette longue bataille en une victoire française.