Wrangel diente zu Beginn des Ersten Weltkriegs als Kapitän und Kommandeur einer Schwadron des Kavallerie-Regiment der Leibgarde an der Nordwestfront und wurde 1914 mit dem Orden des Hl. Georg 4. Klasse ausgezeichnet. Er wurde am 12. Dezember 1914 (mit Rang vom 6. Dezember) zum Oberst ernannt und wurde im Oktober 1915 an die Südwestfront versetzt, wo er am 8. Oktober 1915 zum Kommandeur des "1. Nertschinsker Kosakenregiments "Zarewitsch"" der Transbaikal-Kosaken-Division ernannt wurde. Baron von Wrangel kämpfte in Galizien gegen die Österreicher und nahm im Juli 1916 während der Brussilow-Offensive am berühmten Durchbruch bei Luzk teil. Er wurde im Januar 1917 zum Generalmajor ernannt und erhielt das Kommando über die 2. Brigade der Ussuri-Kavalleriedivision. Im Juli 1917 wurde er zum Kommandeur der 7. Kavalleriedivision und danach zum Kommandant des Kombinierten Kavalleriekorps ernannt. Für seinen Einsatz in der Schlacht von Zbrucz wurde ihm der Georgs-Orden 4. Klasse mit dem Lorbeerzweig verliehen. Er verweigerte der Provisorischen Regierung, im September 1917 den zugewiesenen Befehl über das 3. Kavallerie-Korps zu übernehmen. Im Zuge der Oktoberrevolution zog er sich im November 1917 auf seine Datscha nach Jalta zurück, wo er bald von den Bolschewiki verhaftet wurde. Nach kurzer Haftzeit versteckte er sich auf der Krim, bis im Zuge der Operation Faustschlag der deutsche Einmarsch erfolgte. Danach ging er nach Kiew, wo er vergeblich versuchte, mit der Hetman-Regierung von P. P. Skoropadski zusammenzuarbeiten.