W czasie wybuchu I wojny światowej przebywał na urlopie. Dogonił pułk, który wchodził w skład 1. Korpusu Gwardii 4. Armii Frontu Południowo-Zachodniego pod Iwangorodem (obecny Dęblin), i walczył w operacji galicyjskiej. Chrzest bojowy przeszedł pod Krzeszowem w bitwie nad Sanem jako pomocnik dowódcy kompanii. Nigdy jednak nie dowodził ani plutonem, ani kompanią, co zdaniem jego krytyków utrudniało mu realną – praktyczną ocenę możliwości podległych mu żołnierzy i oddziałów. Na froncie został odznaczony 6 odznaczeniami bojowymi Imperium Rosyjskiego, m.in. Orderem św. Włodzimierza z Mieczami 4 kl. i Orderem św. Anny. Zimą 1915 pułk Tuchaczewskiego przebazowano na Front Północno-Zachodni, na północ od Warszawy, w rejon granicy rosyjsko-pruskiej. 19 lutego (4 marca) 1915 dostał się do niewoli niemieckiej pod Łomżą w czasie operacji przasnyskiej, z której po trzech nieudanych próbach w sierpniu 1917 udało mu się zbiec z obozu jenieckiego w zamku Ingolstadt. Po ucieczce przekroczył granicę ze Szwajcarią, gdzie udał się do ambasady Rosji. Otrzymał paszport rosyjski i przez Paryż, Londyn i Skandynawię dotarł do Rosji. W niewoli niemieckiej, w specjalnym obozie jenieckim dla oficerów złapanych na próbie ucieczki, zetknął się z ówczesnym porucznikiem armii francuskiej Charles’em de Gaulle’em.