1916. augusztus 28-án Románia hadat üzent a központi hatalmaknak, és a román hadsereg megtámadta Erdélyt. A német hadvezetés attól tartott, hogy a Monarchia egész hadserege meginoghat. Erdélyben Arz Artúr altábornagy 1. hadserege felvette a harcot a románokkal, és kitartóan lassította előrenyomulásukat az erősítés megérkezéséig. Mackensen vezértábornagyot Bulgáriába vezényelték, ahol bolgár, török, német és osztrák–magyar egységekből megszervezte a Dunai Hadsereget, amellyel elfoglalta Dobrudzsát és a Duna deltavidékét. Szétverte a románok felmentésére érkező orosz csapatokat is. Október végére Arz tábornok 1. hadserege, együttműködve Erich von Falkenhayn tábornok német 9. hadseregével kiszorította Erdélyből a román csapatokat. Hadserege átkelt a Dunán, és elvágta a visszavonulók útját. 1917 februárjában Románia kapitulált. Mackensen megkapta a Vaskereszt kitüntetés Nagykeresztjét, ezzel az egész világháború során csak két tábornokot tüntettek ki. A megszállt Románia katonai kormányzójának őt nevezték ki, ebben a tisztségben működött a háború végéig.