Не окончив гимназию, в 1915 году Катаев вступил добровольцем-вольноопределяющимся в действующую армию. Начал службу под Сморгонью рядовым в артиллерийской батарее, затем произведён в прапорщики. Дважды был ранен и отравлен газами. В декабре 1916 года был принят в Одесское военное училище, перейдя из артиллерии в пехоту. Летом 1917 года, после ранения в бедро в «керенском» наступлении на румынском фронте, был помещён в госпиталь в Одессе.