Ensimmäisessä maailmansodan alkaessa vuonna 1914 Duhonin toimi everstinä Venäjän pääesikunnassa. Vuonna 1915 hänet ylennettiin kenraalimajuriksi ja nimitettiin kahdeksannen armeijan päämajoitusmestariksi. Seuraavana vuonna hän yleni lounaisrintaman armeijaryhmän päämajoitusmestariksi ja 1917 mainitun armeijaryhmän esikuntapäälliköksi. 40-vuotias Duhonin oli yksi armeijan nuorimpia kenraaleita, kun Venäjän väliaikainen hallitus nimitti hänet syyskuussa 1917 pääesikunnan päälliköksi Kornilovin kapinan jälkitunnelmissa. Kun bolševikit kaappasivat vallan marraskuun alussa, väliaikaisen hallituksen johtaja Aleksandr Kerenski nimitti viimeisenä toimenpiteenään Duhoninin ylipäälliköksi ennen kuin pakeni itse. Duhonin yritti ottaa puolueettoman asenteen suhteessa uuteen bolševikkihallintoon ja pitää rintaman kasassa. Jo 20. marraskuuta Leninin johtama kansankomissaarien neuvosto kuitenkin määräsi hänet sopimaan aselevosta saksalaisten kanssa rauhanneuvotteluiden käynnistämiseksi. Duhonin kieltäytyi, joten Lenin ilmoitti 22. marraskuuta hänen olevan erotettu ja nimitti Nikolai Krylenkon uudeksi ylipäälliköksi hänen tilalleen. Duhonin suunnitteli estävänsä Krylenkoa tulemasta päämajakaupunki Mogiljoviin, mutta hän ei saanut enää mistään joukkoja tähän tarkoitukseen.