Bei Ausbruch des Ersten Weltkriegs kam Loßberg mit dem Korps aus dem Bereitstellungsraum Diedenhofen heraus zunächst in der Schlacht bei Longwy zum Einsatz. Er verblieb den gesamten Krieg über in verschiedenen Generalstabspositionen. Am 24. Januar 1915 erfolgte seine Versetzung als stellvertretender Leiter der Operationsabteilung in die Oberste Heeresleitung und seine dortige Beförderung zum Oberst am 24. Juli 1915. Kurze Zeit darauf kam er als Generalstabschef zum Armeeoberkommando 3. Hier konnte er sich mehrfach durch eine maßgeblich von ihm entwickelte flexible Verteidigungsstrategie während der Herbstschlacht in der Champagne auszeichnen. Diese Taktik führte ihn im weiteren Verlauf des Krieges an die Brennpunkte der Westfront. Am 3. Juli 1916 kam Loßberg nach dem Beginn der Schlacht an der Somme als Generalstabschef zum Armeeoberkommando 2 und in gleicher Funktion am 19. Juli zum Armeeoberkommando 1. Durch sein Wirken konnte die Offensive der Alliierten gestoppt werden.