Tras el estallido de la Primera Guerra Mundial y el ingreso de Italia en la contienda, Cavallero fue asignado al estado mayor del comando supremo del Regio Esercito, mostrando habilidad en tácticas y organización de tropas, siendo ascendido a general de brigada en 1918, y participando en la planificación de la táctica italiana en la Batalla del Piave y la Batalla de Vittorio Veneto.