עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה באוגוסט 1914, נכללה הדיוויזיה של קלמבובסקי במסגרת הקורפוס ה-10 אשר היה חלק מהארמייה השלישית. הוא לחם עם הדיוויזיה בקרב גליציה. ב-19 באוגוסט הוא מונה למפקד הקורפוס ה-16. ב-17 בספטמבר 1915 הוא הועלה לדרגת גנרל חיל הרגלים. ב-13 בדצמבר של אותה שנה הוא מונה לראש מטה החזית הדרום-מערבית תחת אלכסיי ברוסילוב. הוא השתתף עם החזית במתקפת ברוסילוב המוצלחת. בהמלצתו של ברוסילוב, ב-6 בדצמבר 1915 הוא מונה למפקד הארמייה החמישית, אולם כעבור חודש ויתר על התפקיד בשל מחלה. ב-25 באוקטובר 1916 הוא מונה למפקד הארמייה ה-11, וב-20 בדצמבר מונה לעוזר הרמטכ"ל. ב-11 במרץ 1917 מינה אותו אלכסנדר קרנסקי כראש המטה הכללי של הצבא. הוא ויתר על התפקיד ב-5 באפריל ומונה למפקד החזית הצפונית. החזית השתתפה תחת פיקודו במתקפת קרנסקי, אולם בפועל, פחות מחצי מהכוח הלוחם שלה השתתף בלחימה. השאר פשוט סירבו לתקוף. הייתה זו אחת הסיבות לכישלון המתקפה. ב-28 באוגוסט, בעיצומה פרשת קורנילוב, הוא הודח מהפיקוד על החזית, והוצע לו לחזור להיות מפקד הצבא במקום לאוור קורנילוב, אולם הוא דחה את ההצעה ופרש מהצבא.