La carriera di von Arnim ebbe il suo culmine durante la prima guerra mondiale, quando gli venne assegnato il comando della I Armata del fronte occidentale, sulla Marna. Negli anni seguenti fu uno dei fautori della guerra di posizione, atta a stroncare l'avversario e riuscì però a conquistare Arras, una delle principali roccaforti francesi; partecipò anche alla seconda battaglia dell'Artois e a quella della Somme. Il 10 agosto 1916 ricevette insieme al generale Fritz von Below il grado più alto dell'onorificenza "Pour le Mérite", istituita nel XVIII secolo da Federico il Grande.