In dieser Eigenschaft nahm Hammerstein nach dem Beginn des Ersten Weltkriegs an der Besetzung des neutralen Großherzogtums Luxemburg sowie den Schlachten bei Neufchâteau und Sedan teil. Mit der Ernennung zum Kommandeur des I. Bataillons im Infanterie-Regiment „von Goeben“ (2. Rheinisches) Nr. 28 kehrte er am 6. September 1914 in den Truppendienst zurück. Nach der Schlacht an der Marne und dem Rückzug beteiligte er sich an den Stellungskämpfen in der Champagne. Dabei wurde Hammerstein zweimal verwundet. Im Mai 1915 verlegte sein Regiment nach Nordfrankreich und kam in der Schlacht bei Arras zum Einsatz. Hammerstein wurde am 1. Dezember 1915 zum Kommandeur des I. Bataillons im Infanterie-Regiment „von Borcke“ (4. Pommersches) Nr. 21 ernannt, mit dem er im September 1916 während des Feldzuges gegen Rumänien an der Eroberung der Festung Tutrakan wirkte. Nachdem er bereits beide Klassen des Eisernen Kreuzes erhalten hatte, wurde ihm dafür das Ritterkreuz des Königlichen Hausordens von Hohenzollern mit Schwertern verliehen.