Ngày 21 tháng 2 năm 1916, Falkenhayn triển khai Tập đoàn quân số 5 (Tư lệnh: Thái tử Wilhelm) mở Chiến dịch Verdun. Quân Pháp đã chặn được các đợt tấn công ban đầu của Đức, làm Falkenhayn trở nên do dự không biết nên tiếp tục hay ngừng tấn công. Trung tướng Konstantin Schmidt von Knobelsdorf - Tham mưu trưởng Tập đoàn quân số 5 đã thuyết phục được Falkenhayn kéo dài chiến dịch 5 tháng nữa. Việc quân Đức không chiếm được các cao điểm trên tả ngạn sông Meuse đã đem lại hậu quả tai hại cho họ, do quân Pháp nhanh chóng tập trung các trận địa pháo dày đặc trên các cao điểm đó và mặc sức cày phá các đội hình tấn công của Đức. Phía Đức lại huy động các lực lượng lớn mở nhiều cuộc tấn công ác liệt hòng bức rút pháo binh Pháp khỏi tả ngạn sông Meuse vào tháng 3 – tháng 5. Đúng như Falkenhayn dự đoán, người Pháp đã bám giữ Verdun bằng mọi giá và chịu thiệt hại ghê gớm, nhưng tổn thất của quân Đức cũng không kém là bao. Verdun vẫn đứng vững khi quân đội Nga mở Chiến dịch Brusilov (4 tháng 6 – 20 tháng 9 năm 1916) tiêu diệt quân Áo-Hung ở Galicia, buộc Falkenhayn phải chia quân từ Verdun sang Đông Âu tăng viện cho đồng minh của mình. Đến tháng 7, quân Anh và một bộ phận quân đội Pháp phát động chiến dịch đánh chiếm phòng tuyến quân Đức trên sông Somme, buộc Falkenhayn phải đình chỉ tấn công Verdun và cho Tập đoàn quân số 5 chuyển sang thế phòng ngự. Do sự phá sản của chiến dịch Verdun và sự hồi sinh nhanh chóng của Nga, ngày 29 tháng 8 năm 1916, Wilhelm II bãi chức Falkenhayn và cử Thống chế Paul von Hindenburg làm Tổng tham mưu trưởng quân đội Đức.