עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה היה פון קאטן המושל הצבאי של מיינץ, ב-31 באוגוסט 1914 מונה למפקד הדיוויזיה ה-39 והשתתף עימה בקרב ננסי-אפינל, בקרב הראשון על האן, במרוץ אל הים ובקרב איפר הראשון. ב-19 בדצמבר 1914 מונה למפקד קורפוס המילואים ה-23 ופיקד עליו בקרב איפר השני ובקרב על הסום. באביב 1917 הועבר פון קאטן עם הקורפוס בפיקודו לחזית המזרחית ופיקד עליו בקרב ריגה. בסתיו 1917 חזר פון קאטן לחזית המערבית והשתתף בקרב קמברה כחלק מהארמייה השנייה. באביב 1918 השתתף במתקפת האביב, ולאחר מכן בקרב השני על המארן כחלק מהארמייה השביעית. בסתיו השתתף בבלימת מתקפת מאה הימים של מדינות ההסכמה כחלק מהארמייה הראשונה.