Am 6. Juli 1915 erhielt er das Kommando über die Südarmee. Die von ihm übernommenen deutschen und österreichisch-ungarischen Verbände führten ab dem 7. Juli 1915 die Bezeichnung „Korps Bothmer“. Während der Offensive des russischen Generals Brussilow bei Luzk-Brody Anfang Juni 1916 gelang es ihm, mit der Südarmee die Stellung zu halten; hingegen die russische Armee bei den österreichischen Nachbarn Einbrüche erzielte. Am 18. Oktober 1916 legte Generalfeldmarschall von Hindenburg dem bayerischen König Ludwig III. den Vorschlag zur Verleihung des Großkreuzes zum Militär-Max-Joseph-Orden vor. Unter anderen führte Hindenburg aus, dass die unter der Führung von Bothmer stehende Armee im Juni 1916 den feindlichen Truppen widerstanden habe, während südliche Teile der Ostfront zusammenbrachen. Hindenburg lobte den Grafen, indem er ihm die „Anerkennung seines Mutes und seiner Ausdauer in diesen schweren Tagen“ zukommen ließ. Am 5. November 1916 händigte ihm König Ludwig III. das Großkreuz des Militär-Max-Joseph-Ordens in Galizien aus. Im August 1916 hielt er zunächst erneut die Stellung, musste dann allerdings seine Truppen von der Strypa an die Zlota Lipa zurückverlegen. Aufgrund seiner Beharrlichkeit in dieser Situation wurde herausgestellt, dass er den Zusammenbruch des gesamten Frontabschnitts verhindert habe. Im Sommer 1917 verhinderte die Südarmee das weitere Vordringen der russischen Armee (deren Kerenski-Offensive scheiterte), was vor allem auf russischer Seite zu zahlreichen Kriegstoten führte. Am 19. Juli 1917 war er an der Gegenoffensive erfolgreich beteiligt. Als Oberbefehlshaber der deutschen Südarmee erhielt er auf dem Schlachtfeld von Buczacz von Kaiser Wilhelm II. das Eichenlaub zum Orden Pour le Mérite.