Основното му задължение като началник-щаб е да преразгледа плана Шлифен и да се увери, че той съответства на съвременните условия. Задачата, обаче, се оказва трудна и когато Първата световна война избухва през август 1914 г., Молтке не успява да отговори на изискванията му. Той позволява на няколко командира от южното крило на западния фронт да нападнат Франция, вместо да останат в отбрана. Освен това, той подсилва нападението на тези дивизии със сили от северното крило и изпраща още няколко дивизии на източния фронт, където да спрат руското настъпление в Източна Прусия. Германското върховно командване губи връзка с атакуващите армии в северното крило, а движението на формированията в това крило губят координация. Тези и други фактори водят не само до провал да се обградят френските войски в южната част на фронта, но и до последващо обкръжаване от френска и британска страна, което възпира цялата германска офанзива в битката при Марна през септември 1914 г. Междувременно, Молтке все повече се отчайва, докато накрая напълно отказва да поема отговорността. На 14 септември 1914 г. император Вилхелм II заменя Молтке като началник-щаб с Ерих фон Фалкенхайн. Възможността за бърза победа на запад се изплъзва от немските ръце, а след няколко месеца западният фронт се превръща в кървава и бавна окопна война, нестихваща през следващите почти три години.