1916 augusztusában Románia az antant oldalán beszállt a háborúba és meglepetésszerű támadással megszállta Erdély egy részét. A központi hatalmak októberre kiszorították a román csapatokat, akiket délről a bolgár-német haderő is veszélyeztetett. Október 16-án Berthelot-t nevezték ki a romániai francia katonai misszió élére. A román hadsereg vereséget szenvedett Dobrudzsában és Munténiában is és a Duna-deltába húzódott vissza; a tábornok 1917 januárja és júniusa között itt segítette az újjászervezést és kiképzést. A francia támogatás szerepet játszott abban, hogy 1917 nyarán Alexandru Averescu hadserege Mărăştinél sikeresen áttörte a frontot, majd a központ hatalmak ellentámadását Mărăşeştinél és Oituznál megállították. Decemberre azonban, a bolsevik forradalom után Oroszország kiesett a háborúból és a körbezárt román hadsereg megadta magát. Henri Berthelot és a francia tanácsadók visszatértek Párizsba.