Maailmansodan puhjetessa Rennenkampf nimitettiin komentamaan Venäjän ensimmäistä armeijaa, joka yhdessä Samsonovin toisen armeijan kanssa hyökkäsi Baltiasta Saksan Itä-Preussiin. Rennenkampfia arvosteltiin myöhemmin siitä, että hän ei tehnyt mitään, kun Saksan kahdeksas armeija löi Samsonovin joukot Tannenbergin taistelussa elokuussa 1914. Rennenkampf itse saavutti menestystä Gumbinnenin taistelussa elokuun puolivälissä, mutta kärsi tappion Masurian järvien taistelussa 9.–10. syyskuuta, minkä seurauksena Venäjän armeija joutui perääntymään kokonaan Itä-Preussista. Kun hän oli kärsinyt tappion myös Łódźin taistelussa marraskuussa 1914, hänet siirrettiin pois komentajantehtävistä syytettynä epäpätevyydestä ja jopa maanpetoksellisuudesta (baltiansaksalaisen alkuperänsä vuoksi). Helmikuun vallankumouksen jälkeen Rennenkampfia vastaan nostettiin elokuussa 1917 syyte petollisesta toiminnasta. Vuonna 1918 bolševikit tarjosivat hänelle komentajan tehtävää puna-armeijassa. Kun hän kieltäytyi, hänet ammuttiin.