В начале Первой мировой войны призван на действительную службу, вскоре став командиром артиллерии 86-й пехотной дивизии на Восточном фронте. В 1915 году участвовал в тринадцати битвах, был награжден Железным крестом второго и первого класса. С 18 по 30 марта 1916 года русские вели наступление на озере Нарочь. Для организации контратаки Брухмюллер уговорил командующего 10-й армии генерала Эйхгорна организовать централизованное командование артиллерией. Брухмюллер спланировал предварить атаку пехоты беглым заградительным огнём, что способствовало победе Германии. За этот успех в 1917 году Брухмюллер был удостоен высшей военной награды — ордена Pour le Mérite, став одним из четырёх офицеров-артиллеристов, награждённых орденом во время войны.