Bei der Mobilmachung zum Ersten Weltkrieg wurde Buat zunächst der Operationsabteilung im Grand Quartier Général zugeteilt. Bereits nach wenigen Tagen wurde er als Stabschef zur Armée d’Alsace unter General Paul Pau ins Elsass entsandt. Nach deren Auflösung wurde er erneut Kabinettschef des Kriegsministers Alexandre Millerand. Im November 1915 übernahm er die 245. Infanteriebrigade und war von Januar bis Mai 1916 Assistent des Stabschefs für Operationen außerhalb Frankreichs, Maurice Pellé, im Grand Quartier Général. Anschließend diente er als Kommandeur der 7. Infanteriebrigade und der 121. Infanteriedivision sowie ab Januar 1917 als Befehlshaber der Generalreserve der schweren Artillerie (RGAL). Diese wurde als ein Hauptkampfmittel bei den Offensiven im Grabenkrieg stetig ausgebaut. Ab Februar 1918 befehligte Buat nacheinander die 33. Infanteriedivision, das XVII. Armeekorps und ab Juni 1918 kurzzeitig die 5. Armee. Anfang Juli 1918 wurde er zum Stabschef des Oberbefehlshabers Philippe Pétain ernannt und war einer der Hauptorganisatoren der alliierten Schlussoffensiven, bekannt als Hunderttageoffensive, wofür er mit zahlreichen in- und ausländischen Auszeichnungen geehrt wurde.