Paulusův pluk byl nasazen v bojích u Sarrebourgu, Nancy, Mét, Toul a Verdunu, ale utrpěl vážné ztráty. Tou dobou Paulus vážně onemocněl a musel být hospitalizován v nemocnici, kde zůstal až do roku 1915. Na frontu se už nevrátil. Po návratu z nemocnice začal sloužit jako štábní důstojník u 2. pruského pluku lehké pěchoty, který byl součástí horského sboru (Alpenkorps). Právě ve štábu se projevily jeho schopnosti. Jelikož byl korektní, přesný a svědomitý, byl také zapojován do řešení úkolů generálního štábu, kde se podílel hlavně na taktickém plánování pohybů jednotlivých vojenských těles. Se svou novou jednotkou se zúčastnil obrany Jižního Tyrolska a invaze Centrálních mocností do Srbska a Makedonie. Od března do září 1916 opět působil na západní frontě v Champagne, u Verdunu a v Argonne. Na konci roku byl sbor nasazen při obsazení Rumunska a poté se vrátil do Francie do pohoří Vogézy, kde zůstal až do září 1917. Koncem roku byl poslán do Itálie na pomoc rakousko-uherským jednotkám během bojů na řece Soči. Během jarní ofenzívy 1918 působil Paulus se svou jednotkou ve Flandrech, kde byl povýšen na kapitána ("Hauptmann") a vyznamenán Železným křížem II. a I. třídy.