После вступления Румынии в Первую мировую войну на стороне Антанты, Антонеску работал в штабах в составе Северной армии. 1 ноября 1916 года повышен до звания майора и назначен начальником оперативного отдела штаба армии. Воевал под командованием генерала Константина Презана, участвовал в разработке боевых операций в Восточных Карпатах, под Бухарестом и в битве при Мэрэшешти. В ходе войны получил репутацию квалифицированного и прагматичного военного.