Zu Beginn des Ersten Weltkriegs wurde von Freyburg, der offenbar zwischenzeitlich als Leutnant der Reserve aus dem Militär ausgeschieden war, reaktiviert. Mit seinem Regiment marschierte er am 12. August 1914 in Belgien und am 26. August 1914 in Frankreich ein. Als Zugführer eines Maschinengewehr-Zugs überlebte er die Schlacht an der Marne (1914) und wurde mit dem Eisernen Kreuz ausgezeichnet, fiel jedoch am 7. Oktober in der Schlacht bei Arras beim "Wettlauf zum Meer". Karl von Freyburg wurde auf dem Deutschen Soldatenfriedhof in Neuville-Saint-Vaast begraben.