Moltke beholdt posten som stabschef frem til 1. verdenskrigs udbrud den 28. juli 1914. Moltke agiterede for og overså Tysklands indtræden i krigen. Tyskland erklærede krig mod Frankrig og Rusland tidligt i august, og Moltke iværksatte Schlieffenplanen for at slå Frankrig hurtigst muligt ud af krigen og undgå den tofrontskrig, den tyske generalstab have frygtet siden 1800-tallet. Uheldigvis viste Moltkes dømmekraft sig at være svækket af et hjerteslag og af en vis paranoia mod den meget blodige konflikt, krigen hurtigt udviklede sig til, og hans ordrer viste sig tit ikke at stemme overens. Moltke flyttede sit hovedkvarter fra Berlin til Spa i Belgien, hvorfra han dirigerede de tyske styrker på vestfronten, men på grund af kommunikationsproblemer nåede de færreste beskeder frem til tiden, og de tyske generaler handlede for det meste individuelt i invasionerne af Frankrig og Belgien i august og september 1914. De tyske styrker mødte de engelske og frankrigs hære i det afgørende slag ved Marne fra den 5. september til den 12. september 1914. Efter Tysklands knusende nederlag i slaget trak Moltke sig tilbage og blev erstattet af den prøjsiske krigsminister Erich von Falkenhayn. Moltke tilbragte resten af krigen i Berlin beskæftiget med stilfærdigt arbejde i hæren indtil hans død den 18. juni 1916.