В годы первой мировой войны Величко с 1914 в распоряжении Главнокомандующего армиями Юго-Западного фронта, затем начальник инженеров 11-й армии, осуществлявшей осаду Перемышля. 19 февраля 1915 года «за отличия в делах против неприятеля» награжден орденом Белого Орла с мечами. С 4 марта 1916 — начальник инженеров Юго-Западного фронта. Предложил новую форму инженерного оборудования местности для наступления — «инженерные плацдармы». Впервые такой плацдарм был создан при подготовке брусиловского прорыва. После Февральской революции Величко, заслуженно пользовавшийся крайне высокой репутацией в армии, был 10 мая 1917 назначен на высшую должность полевого инспектора инженерной части в Ставке Верховного главнокомандующего.