В мае 1915 года В. Ф. Павлов мобилизован в Русскую императорскую армию и зачислен рядовым в лейб-гвардии Кексгольмский полк. В августе окончил учебную команду назначен отделенным командиром. В рядах полка с декабря 1915 по октябрь 1917 года (полк входил в состав 3-й гвардейской пехотной дивизии) участвовал в боях на Северном, Северо-Западном и Юго-Западном фронтах Первой мировой войне. За боевые отличия награждён 4 Георгиевскими крестами. Был трижды ранен. Активно участвовал в революционных событиях 1917 года. 5 июля 1917 года за выступление против войны был арестован Временным правительством на непродолжительное время. В сентябре 1917 года, когда генерал Л. Г. Корнилов снял с фронта 2-й гвардейский корпус и попытался направить его на Петроград, поднял восстание в своём полку.