Na początku I wojny światowej Paweł Plehwe został dowódcą rosyjskiej 5 Armii mającej za zadanie odeprzeć austro-węgierskie siły atakujące z Galicji. Na przełomie listopada i grudnia 1914 uczestniczył w nierozstrzygniętej bitwie pod Łodzią. W 1915 objął dowodzenie rosyjską 12 Armią, którą dowodził w II bitwie nad jeziorami mazurskimi (zakończonej zwycięstwem wojsk niemieckich). Następnie ponownie objął dowództwo 5 Armii, realizując zadania bojowe. Od grudnia 1915 do lutego 1916 naczelny dowódca Frontu Północnego. Z powodu pogarszającego się zdrowia w lutym 1916 roku przeniesiony w stan spoczynku i wyznaczony członkiem Rady Państwa. Zmarł tego samego roku w Moskwie.