עם פרוץ המלחמה מונה קסטלנו למפקד הארמייה השנייה, ופיקד עליה במהלך המערכה על הגבולות, ובכלל זה בקרב לורן. ביוני 1915 מונה קסטלנו למפקד קבוצת הארמיות המרכזית, ובהמשך השנה מונה לראש המטה של ז'וזף ז'ופר. בשנת 1916 הופקד קסטלנו על הגנת ורדן בתחילת קרב ורדן. לאחר פיטוריו של ז'ופר והחלפתו ברובר ניוול, פרש קסטלנו משרות פעיל ומונה לראש המשלחת הצבאית ברוסיה. לאחר פיטוריו של ניוול בשנת 1917 והחלפתו בפיליפ פטן, מונה קסטלנו למפקד קבוצת הארמיות המזרחית, ופיקד עליה במהלך המתקפה בלורן בשנת 1918.