Năm 1915, Bagramian tình nguyện gia nhập quân đội Đế quốc Nga, ông phục vụ tại Trung đoàn biên giới Caucasus số 2 của Lực lượng viễn chinh Nga đang chiến đấu chống lại Đế quốc Ottoman tại mặt trận Caucasus. Tháng 6 năm 1917, ông tốt nghiệp Học viện quân sự Tiflis với hàm Thiếu úy ("praporshchik") quân đội Đế quốc Nga. Sau khi Cách mạng tháng Mười nổ ra tháng 11 năm 1917, đơn vị của ông bị giải tán.