Maailmansodan puhjettua Gurkon divisioona liitettiin kenraali Paul von Rennenkampfin joukkoihin ja hän osallistui tämän hyökkäykseen Itä-Preussiin sekä Łódźin taisteluun marraskuussa 1914. Sen jälkeen Gurko toimi kenraali Mihail Aleksejevin esikuntapäällikkönä ja maaliskuusta 1915 kuudennen armeijakunnan komentajana, johtaen venäläisten vastahyökkäystä Bolimówin taistelussa. Myöhemmin hän komensi viidettä armeijaa. Aleksejevin saatua sydänkohtauksen Gurko nimitettiin marraskuussa 1916 pääesikunnan vt. päälliköksi ja hän ryhtyi johtamaan operaatioiden suunnittelua stavkassa. Tsaari Nikolai II:n vastahakoisuus hankaloitti hänen pyrkimyksiään tehostaa armeijan toimintaa. Helmikuun vallankumouksen myötä Gurkosta tuli maaliskuussa 1917 myös vt. ylipäällikkö Venäjän länsirintamalla. Hän joutui kuitenkin pian erimielisyyksiin väliaikaisen hallituksen ja sotaministeri Aleksandr Kerenskin kanssa, sillä hän ei pitänyt heikentyneen armeijan komentamista hyökkäykseen viisaana. Niinpä Gurko erotettiin Kerenskin hyökkäyksen alla kesäkuussa 1917.