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1914年6月28日、オーストリアのフランツ・フェルディナント大公は共同統治国ボスニア・ヘルツェゴヴィナの首都サラエボを訪問した。ユーゴスラヴ主義組織青年ボスニアからの暗殺者6人（クヴジェトコ・ポポヴィッチ、ガヴリロ・プリンツィプ、ムハメド・メフメドバシッチ、ネデリュコ・チャブリノヴィッチ、トリフコ・グラベジュ、ヴァソ・チュブリロヴィッチ）はセルビア黒手組の物資提供を受けて、大公を暗殺すべく大公の車列が通る街道で集まった。チャブリノヴィッチは手榴弾を車に投げつけたが外れ、近くにいた人々が負傷しただけに留まった。大公の車列はそのまま進み、チャブリノヴィッチ以外の暗殺者が動けないのを尻目に無事通過した。フェルディナントは、爆発で怪我した者の見舞いにサラエボ病院に行ったが、約1時間後の帰りでは車が道を誤って方向転換、ちょうどプリンツィプのいた道に入った。プリンツィプはピストルで大公と大公の妻ゾフィー・ホテクを射殺した。オーストリア人の間では反応が薄く、ほぼ無関心に近い状態だった。歴史家のズビニェク・ゼマンは後に「事件は人々に印象を残すことにほとんど失敗した。日曜日と月曜日（6月28日と29日）、ウィーンの大衆はまるで何も起こらなかったように音楽を聴いたりワインを飲んだりした」。一方、帝位継承者の暗殺という事件は政治に重大な影響を与え、21世紀の文献では「9月11日効果」と形容するものもある。また、大公夫婦とは個人的には親密ではなかったが、皇帝フランツ・ヨーゼフ1世は衝撃を受けて、うろたえた。
オーストリア＝ハンガリー当局は、サラエボの反セルビア暴動を煽動した。その結果、サラエボではボスニア系セルビア人2人がボスニア系クロアチア人とボシュニャク人により殺害され、またセルビア人が所有する多くの建物が損害を受けた。セルビア人に対する暴力はサラエボ以外でも組織され、オーストリア＝ハンガリー領ボスニア・ヘルツェゴヴィナ、クロアチア、スロベニアなどで起こった。ボスニア・ヘルツェゴヴィナのオーストリア＝ハンガリー当局は目立ったセルビア人約5,500人を逮捕、送還したが、うち700から2,200人が監獄で死亡した。ほかにはセルビア人460人が死刑に処された。主にボシュニャク人で構成された「Schutzkorps」も設立され、セルビア人を迫害した。
暗殺事件により、七月危機と呼ばれる、1か月間にわたるオーストリア＝ハンガリー、ドイツ、ロシア、フランス、イギリス間の外交交渉が行われた。セルビア当局、特に黒手組関連が大公暗殺の陰謀に加わっていると考え（後に事実であると判明）、セルビア人のボスニアにおける影響力を消滅させようとしたオーストリア＝ハンガリーは7月23日にセルビアに対し最後通牒を発し、セルビアとの戦争を引き起こすべく10点の要求を突き付けた。セルビアは25日に総動員したが、暗殺事件の調査にオーストリア代表をセルビアに招き入れるという第6条を除いて最後通牒の要求を受諾した。その後、オーストリアはセルビアとの外交関係を断絶、翌日に一部動員を命じた。そして、1914年7月28日、オーストリア＝ハンガリーはセルビアに宣戦布告した。7月29日、ロシアはセルビアを支持してオーストリア＝ハンガリーに対する一部動員を行ったが、翌30日には総動員に切り替えた。ヴィルヘルム2世はいとこにあたるロシア皇帝ニコライ2世にロシアの総動員を取りやめるよう求め、ドイツ首相テオバルト・フォン・ベートマン・ホルヴェークは31日まで回答を待った。ロシアがヴィルヘルム2世の要請を断ると、ドイツはロシアに最後通牒を発し、動員を停止することと、セルビアを支援しない確約を要求した。またフランスにも最後通牒を発して、セルビアの守備に関連する場合、ロシアを支持しないよう要求した。8月1日、ロシアが回答した後、ドイツは動員してロシアに宣戦布告した。これにより、オーストリア＝ハンガリーでも8月4日に総動員が行われた。ドイツがフランスに中立に留まるよう要求したのは、兵力展開の計画を選ばなければならなかったためであった。当時、ドイツでは戦争計画がいくつか立てられており、どれを選んだとしても兵力の展開中に計画を変更することは困難だった。1905年に立案され、後に修正されたドイツのシュリーフェン・プランでは軍の8割を西に配置するアウフマーシュ・II・ヴェスト（Aufmarsch II West）と軍の6割の西に、4割を東に配置するアウフマーシュ・I・オスト（Aufmarsch I Ost）とアウフマーシュ・II・オスト（Aufmarsch II Ost）があった。東に配置する軍が最大でも4割留まりだったのは、東プロイセンの鉄道の輸送率の上限であったからだった。フランスは回答しなかったが、自軍を国境から10km後退させて偶発的衝突を防ぎつつ予備軍を動員するという、立場が不明瞭な行動をした。ドイツはその対処として予備軍を動員、アウフマーシュ・II・ヴェストを実施すると決定した。8月1日、ヴィルヘルム2世はフランスが攻撃されない限りイギリスが中立に留まるという誤報を受けて、小モルトケに「全軍を東に進めよ」と命じた。小モルトケは兵士100万人の再配置は不可能であり、しかもフランスにドイツを「背後から」攻撃する機会を与えるのは災難的な結果を引き起こす可能性があるとヴィルヘルム2世を説得した。しかしヴィルヘルム2世はドイツ軍がルクセンブルクに進軍しないことを堅持、いとこのイギリス国王ジョージ5世からの電報で先の情報が誤報であることを判明してようやく小モルトケに「今やあなたは何をしてもいい」と述べた。ドイツは8月2日にルクセンブルクを攻撃、3日にフランスに宣戦布告した。4日、ベルギーがドイツ軍に対し、フランスへ進軍するためにベルギーを通過することを拒否すると、ドイツはベルギーにも宣戦布告した。イギリスはドイツに最後通牒を発し、ベルギーは必ず中立に留まらなければならないと要求したが、「不十分な回答」を得た後、8月4日の午後7時にドイツに宣戦布告した（午後11時に発効）。
中央同盟国では、緒戦の戦略に関する齟齬が発生していた。ドイツはオーストリア＝ハンガリーのセルビア進攻を支援すると確約していた。今まで使われた兵力展開の計画は1914年初に変更されたが、新しい計画は実戦で使われたことがなかった。オーストリア＝ハンガリーはドイツが北側でロシア軍の対処にあたると考えたが、ドイツはオーストリア＝ハンガリーが軍の大半を対ロシア戦に動員し、ドイツ軍はフランス軍の対処にあたると考えた。この混乱によりオーストリア＝ハンガリー陸軍は対ロシアと対セルビアの両前線で軍を分割せざるを得なかった。
オーストリアは8月12日からセルビアに侵攻。ツェルの戦い、続いてコルバラの戦いでセルビア軍と戦った。侵攻開始からの2週間で、オーストリア軍の攻勢は大損害を受け撃退された。これは第一次世界大戦における連合国軍の最初の重要な勝利となり、オーストリア＝ハンガリーの迅速な勝利への希望を打ち砕いた。その結果、オーストリアはセルビア戦線に大軍を維持しなければならず、対ロシア戦役に投入できるオーストリア軍が弱体化する結果となった。セルビアがオーストリア＝ハンガリーの侵攻を撃退したことは20世紀の戦闘における番狂わせの一つと言われた。セルビアにおけるオーストリア＝ハンガリーの第一次攻勢はセルビアの一般市民に対する攻撃とともに行われた。民衆数千人が殺害され、集落は略奪、放火された。オーストリア＝ハンガリー軍部は一般市民に対する攻撃を暗に認め、「系統的でない徴発」や「無意味な報復」などと形容した。セルビア軍は善戦したが、12月までにその力を使い切った。さらにセルビアで疫病が流行した。12月5日から17日、オーストリア＝ハンガリー軍はロシア軍のクラクフへの進軍を阻止し、その後は長大な前線にわたって塹壕戦に突入した。また1914年12月から1915年4月にかけてカルパティア山脈の冬季戦役が行われ、中央同盟国軍がロシア軍に対し善戦した。
ロシアの2個軍はシュリーフェン・プランの仮定と違って、開戦から2週間で東プロイセンへの侵攻を開始したため、東部戦線の情勢はドイツにとって厳しいものだった。ドイツはシュリーフェン・プランにより西部戦線に集中したため、東部戦線では守備態勢をとった。そのため、ドイツはロシア領ポーランドとの国境地帯にあるいくつかの町を占領したに留まり、1914年8月のカリシュの破壊がその一環となった。8月20日のグンビネンの戦いの後、東プロイセンを守備するドイツ第8軍は撤退、東プロイセンの一部がロシアに占領された。その結果、東部戦線のドイツ軍は増援され、その指揮官もエーリヒ・ルーデンドルフ少将とパウル・フォン・ヒンデンブルク大将に交代した。2人は8月末のタンネンベルクの戦いに勝利、アレクサンドル・サムソノフ率いるロシア第2軍をほぼ全滅させて東プロイセンを確保した。続く9月の第一次マズーリ湖攻勢でもパーヴェル・レンネンカンプ率いるロシア第1軍が敗北したため、ロシア軍は東プロイセンの大半から撤退した。8月24日から9月11日までのガリツィアの戦いの後、ロシア軍はオーストリア＝ハンガリー領ガリツィア・ロドメリア王国を占領した。オーストリア＝ハンガリー軍はガリツィアの首都レンベルクを攻撃した後、ロシア軍が人数で圧倒的に優位にあったため撤退を余儀なくされた（レンベルクの戦い、8月26日 - 9月1日）。ロシアによる第一次プシェムィシル包囲は9月24日から10月11日まで続いた後、一旦解かれた。オーストリア＝ハンガリー軍を救うべく、新しく編成されたドイツ第9軍はポーランド南部攻勢を開始したが失敗した。11月1日、ヒンデンブルクがドイツ軍総指揮官に任命された。11月9日、第二次プシェムィシル包囲が開始、オーストリア＝ハンガリーの駐留軍は1915年3月22日まで耐えた末に降伏した。ドイツのウッチ地域における反攻は11月11日に開始、12月5日まで続き、その後はロシア軍が守備に入った。
ドイツによるオスマン帝国への軍事派遣団とバグダード鉄道の建設により、オスマン帝国はドイツに接近した。さらに、オスマン帝国はイギリスに戦艦スルタン・オスマン1世とレシャディエを注文しており、代金も支払っていたが、イギリスは開戦直後の1914年8月1日に両艦を強制接収した。それでもオスマン帝国政府は「武装中立」を維持しようとしたが、政権を握っていた青年トルコ人には列強のどこかに依存しなければ軍事的に維持できないことが明らかだった。最終的にはエンヴェル・パシャによりオスマン・ドイツ同盟、およびオーストリア＝ハンガリーとの同盟が締結されたが、この同盟は内閣でも賛否両論だった。ヴィルヘルム・スション率いる、ドイツの地中海艦隊の巡洋戦艦ゲーベンとマクデブルク級軽巡洋艦ブレスラウがイギリスの地中海艦隊による追跡を振り切り、8月16日にオスマン帝国の首都コンスタンティノープルに逃げ込んだ（ゲーベン追跡戦）。両艦はそのままオスマン帝国に買い上げられ、スション以下ドイツ人乗員は両艦が10月29日に出撃して黒海沿岸のロシア都市を襲撃した（黒海襲撃）以降も両艦に残った。9月27日、ダーダネルス海峡が正式に封鎖され、国際船舶の航行が禁止された。11月初、イギリス、フランス、ロシアがオスマン帝国に宣戦布告した。11月14日朝、シェイヒュルイスラームのウルグプリュ・ムスタファ・ハイリ・エフェンディはスルタンのメフメト5世による勅令に従い、コンスタンティノープルのファティフ・モスクの前で敵対国に対するジハードを宣言した。しかし、宣言に呼応したのはイギリスのアフガニスタン部隊の一部だけ（1915年2月15日のシンガプール反乱（Singapur））であった。バーラクザイ朝アフガニスタン首長国でのイギリスに対する反感にも影響したが、それは1919年の第三次アングロ・アフガン戦争以降のことだった。宣戦布告直後の11月6日、イギリスとインド軍はアングロ・ペルシア石油会社の利権を守ろうとしてペルシア湾でアル＝ファオ上陸戦を敢行、これによりメソポタミア戦役が開始された。イギリス軍はオスマン軍を蹴散らした後（バスラの戦い）、11月23日にバスラを占領した。カフカース戦役ではロシア軍が11月にベルグマン攻勢を開始した。ロシア軍の攻勢を撃退すると、オスマン第3軍は反撃に転じたが、真冬の中で行われたサリカミシュの戦いで大敗した。アルメニア人義勇軍がロシア側で戦ったため、オスマン帝国に残っていたアルメニア人に対する目が冷たくなったが、アルメニア人の大半はオスマン側についたままだった。ロシア軍は長らく占領していたペルシア北東部から進撃した（ペルシア戦役）。一方、シナイ半島とパレスチナ戦役は1914年時点では大きな戦役はなかった。
北欧諸国は大戦中一貫して中立を貫いた。1914年12月18日スウェーデン国王グスタフ5世は、デンマーク・ノルウェーの両国王をマルメに招いて三国国王会議を開き、北欧諸国の中立維持を発表した。これらの国はどちらの陣営に対しても強い利害関係が存在しなかった。スウェーデンにおいては親ドイツの雰囲気を持っていたが、これも伝統的政策に則って中立を宣言した。ただしロシア革命後のフィンランド内戦において、スウェーデン政府はフィンランドへの義勇軍派遣を黙認している。
第一次世界大戦で、イギリスは本土だけでなくイギリス帝国各地から兵を動員した。1914年8月30日、ニュージーランドはドイツ領サモアを占領した。9月11日、オーストラリア海陸遠征軍がドイツ領ニューギニアのノイポンメルン島に上陸した。10月28日、ドイツの軽巡洋艦エムデンがペナンの海戦でロシアの防護巡洋艦ジェムチュクを撃沈した。1914年11月7日に大日本帝国陸軍とイギリス軍の連合軍は、ドイツ東洋艦隊の根拠地だった中華民国山東省の租借地である青島と膠州湾の要塞を攻略した（青島の戦い、1914年10月31日 - 11月7日）。オーストリア＝ハンガリーの防護巡洋艦カイゼリン・エリザベートが青島からの退去を拒否したため、日本はドイツだけでなくオーストリア＝ハンガリーにも宣戦布告した。カイゼリン・エリザベートは青島を守備した後、1914年11月に自沈した。ドイツ領南洋諸島を占領するかについては日本国内でも結論が定まっていなかった。参戦を主導した加藤高明外相も、南洋群島占領はイギリス植民地政府とアメリカを刺激するとして消極的であった。ところが、9月に入り巡洋艦ケーニヒスベルグによるアフリカ東岸での英艦ペガサス撃沈、エムデンによる通商破壊などドイツ東洋艦隊の活動が活発化したことで、イギリス植民地政府の対日世論は沈静化した。アメリカにおいても、一時はハースト系のイエロー・ペーパーを中心として目立った対日警戒論も落ち着いてきた。このような情勢を受け南洋諸島の占領が決定された。10月3日から14日にかけて、第一、第二南遣支隊に属する「鞍馬」「浅間」「筑波」「薩摩」「矢矧」「香取」によって南洋諸島のうち赤道以北の島々（マリアナ諸島、カロリン諸島、マーシャル諸島）が占領された。これら島々の領有権は戦後に決定するという合意があり、日本の国民感情的には期待があった。開戦前に南洋諸島に派遣されていたドイツ東洋艦隊は逃亡し、パガン島付近で補給艦からの支援を受けた後に、南アメリカ大陸最南端のホーン岬廻り（ドレーク海峡経由）で本国へ帰還するため東太平洋へ向かった。連合国軍は数か月内に太平洋におけるドイツ領を全て奪取、単独の通商破壊艦やニューギニアで粘った拠点のいくつかだけが残った。本国帰還を目指したドイツ艦隊は英艦隊の追跡・迎撃を受け、東太平洋におけるコロネル沖海戦（11月1日）では勝利したものの、南大西洋のフォークランド沖海戦（12月8日 ）に敗れて壊滅した。
欧州諸国により植民地化されていたアフリカ各地では、戦争初期よりイギリス、フランス、ドイツの植民地勢力が戦闘を行った。8月6日から7日、フランスとイギリス部隊はドイツ領トーゴラントとドイツ保護領カメルーンに侵攻した。10日、ドイツ領南西アフリカのドイツ軍が南アフリカ連邦を攻撃して以降、終戦まで散発的ながら激しい戦闘が続いた。ドイツ領東アフリカのパウル・フォン・レットウ＝フォルベック大佐率いる植民地軍はゲリラ戦を行い、1918年のヨーロッパでの停戦から2週間後まで降伏しなかった。
1915年2月4日、ドイツは2月18日以降に商船に対する潜水艦作戦を開始すると正式に発表した。ドイツは中立国の抗議をはねつけてイギリスとアイルランド周辺の海域を交戦地帯と定めたが、イギリスを海上封鎖するには潜水艦（Uボート）が足りなかった。潜水艦を対商船作戦に使用したことで、ドイツは軍事上でも国際法上でも「新しい道」を歩み出した。イギリスの商船が武装を強化したため、Uボートは安全が脅かされ、捕獲物に関する戦時国際法を完全に順守することができなかった。さらに、潜水艦の指揮官への指示が不明確で、海軍は中立国船舶の航行を妨げるために無警告で攻撃する無制限潜水艦作戦であると仮定した。しかし、ドイツの発表に中立国が抗議したため、Uボート作戦は中立国の船舶を攻撃しないよう限定された。5月7日、ドイツの潜水艦U-20がイギリスの客船ルシタニア号を撃沈、国際世論による抗議の波を引き起こした。ドイツ駐ワシントン大使館は新聞に警告文を掲載したが、ルシタニア号が5月1日にニューヨークを出港した時にはアメリカ人200人以上が乗船していた。「戦争物資と弾薬を載せた」というルシタニア号が5月7日に撃沈されると、子供100人近くとアメリカ人127人を含む合計1,198人が死亡した。アメリカの世論は憤慨した。米独間で覚書が交換され、ヴィルヘルム2世は6月1日と6日にドイツ最高司令部の支持を得た首相の要請を受け、潜水艦が中立国の船舶と大型旅客船を撃沈しないことを約束した。しかし、この決定を聞くと、アルフレート・フォン・ティルピッツ海軍元帥とグスタフ・バッハマン提督が辞表を出した（2人の辞任は拒否された）。U-24が客船のアラビックを撃沈、再びアメリカ人の死者を出してしまうと、ドイツ駐アメリカ大使ヨハン・ハインリヒ・フォン・ベルンシュトルフがアメリカ政府にヴィルヘルム2世の決定を通知した（アラビックの誓約、Arabic pledge）。8月末、ヴィルヘルム2世の決定がエルンスト・ツー・レーヴェントローやゲオルク・ベルンハルトなどドイツの新聞編集長に告知された。彼らは軍部の指示を受けて無制限潜水艦作戦と反米のキャンペーンを直ちに停止した。
東部戦線において、ドイツ軍は新しく到着したドイツ第10軍の助力で2月7日から22日までの第二次マズーリ湖攻勢に勝利、ロシア軍をようやく東プロイセンから撤退させた。1914年11月にパウル・フォン・ヒンデンブルクとエーリッヒ・フォン・ルーデンドルフが東部戦線のドイツ軍総指揮官に任命された以降、2人は東部戦線の決着を目指した。ドイツの目的はロシアを弱らせることによって、連合国の同盟の解体を準備しようとした。当時の東部戦線はロシアがガリツィア全体を占領している状態であり、単独講和できる状態にないため、軍事上の圧力をかけることによってロシアへの圧力を増すことと、中立国、特にバルカン諸国に良い印象を与えることができると考えられた。さらに、イタリアが参戦してくる恐れがあったためオーストリア＝ハンガリーは戦略的危機に陥っていた。ロシア軍はカルパティア山脈の冬季戦役を有利に進めており、イタリアが参戦するとオーストリア＝ハンガリー軍はイゾンツォ川とカルパティア山脈の間で挟み撃ちにされる形になり、オーストリア＝ハンガリー帝国の終焉を意味するほどの危機となる。そこで考えられるのが、西ガリツィアからサン川方面へ突破して、ロシア軍にカルパティア山脈からの撤退を迫る（撤退しなければドイツとオーストリア＝ハンガリーの挟み撃ちを受ける）ことだった。この戦略を実行に移すため、1915年春にアウグスト・フォン・マッケンゼン率いるドイツ第11軍が西部戦線から東部戦線に転配された。5月1日から10日まで、クラクフの東でゴルリッツ＝タルヌフ攻勢が行われた。この攻勢において、ドイツとオーストリア＝ハンガリー第4軍は予想外に善戦してロシアの陣地に深く侵入、5月中旬にはサン川までたどり着いた。この戦闘は東部戦線の変わり目だったが、オーストリア＝ハンガリーは開戦から1915年3月まで約200万人の損害を出しており、ドイツの援助に段々と依存するようになった。6月、中央同盟国はゴルリッツ＝タルヌフ攻勢に続いてブク攻勢を開始した。6月4日にプシェムィシルを、22日にレンベルクを再占領した後、ロシア領ポーランドに突起部を作ることが可能のように見えた。南と北とで共同して攻撃を仕掛けることで、ロシア軍を包囲するという計画がドイツ最高司令部（実際に計画を立てたのはルーデンドルフだった）から示されたが、ファルケンハインとマッケンゼンはマルヌ会戦の惨状を見て、ルーデンドルフの計画を野心的すぎるとしてそれを縮小させた。6月29日から9月30日までのブク攻勢と7月13日から8月24日までのナレフ攻勢はロシアの大部隊を包囲するには至らなかったが、ロシア軍にポーランド、リトアニア、そしてクールラントの大半からの大撤退を強いることができた。大撤退の結果、ロシア軍の前線が1,600kmから1,000kmに短縮された。中央同盟国は9月までにワルシャワ（8月4日）、ブレスト＝リトフスク、ヴィリニュスなど重要な都市を続々と占領した。ロシア領ポーランドではルブリンを首都とするオーストリアのルブリン総督府とワルシャワを首都とするドイツのポーランド総督府が成立、中でもドイツの東部占領地では経済的搾取を行う占領政策がとられた。9月末、ルーデンドルフ率いるドイツ第10軍がミンスクに、オーストリア＝ハンガリー軍がリウネに進軍しようとしたが失敗した。損害ではロシア軍の方が上だったが、1915年9月に大撤退が終結した後でも数的優位を維持したため、ドイツ軍の大半を西部戦線に移すという計画は実施できなかった。
西部戦線においては連合国軍がドイツ軍の両翼に圧力をかけてリールとヴェルダンの間にある大きい突起部を切り離し、あわよくば補給用の鉄道を断つという伝統的な戦略をとった。この戦略の一環として、1914年末から1915年3月まで第一次シャンパーニュ会戦で消耗戦が行われた。すなわち、敵軍の士気低下を目的とする箱型弾幕を放った後、大規模な歩兵攻撃を行ったのであったが、ドイツ軍は反撃で応じ、また塹壕戦では堅固な守備、弾幕と機関銃の使用などで防御側が有利だったため、ドイツ軍は連合国軍の攻撃を撃退した。連合国軍は小さいながら戦略的に脅威であるサン＝ミーエルへの攻撃（イースターの戦い（Osterschlacht）または第一次ヴェーヴル会戦（Erster Woëvre-Schlacht））も試みたが失敗に終わった。第二次イーペル会戦の初日である4月22日に毒ガスが使われたことは「戦争の歴史の新しい章」「現代の大量殺戮兵器の誕生」とされている。第一次世界大戦の化学兵器の使用は連合国軍が催涙剤を使う前例があったが、4月22日に使われたのは致死性のある塩素ガスであり、ハーグ陸戦条約に違反した行動であった。そのため、この行動はプロパガンダの宣伝に使われた。ドイツの化学者フリッツ・ハーバーが計画した毒ガス作戦は風向に影響されており、ガスボンベは3月にイーペル近くの最前線にある塹壕に設置されたが、西フランドルで東風が吹くことは少ないため、攻撃は数度延期された。4月22日は安定した北風が吹いたため、イーペル近くにある連合国軍の前線の北部でガスが放たれた。効果は予想以上であった。フランスの第87師団と第45アルジェ師団が恐慌を起こして逃亡、連合国軍の前線に長さ6kmの割れ目を開いた。ガス攻撃による死者は当時では5千人と報じられ、現代では死者約1,200人、負傷者約3千人とされている。ドイツ軍はこれほどの効果を予想せず、進軍に必要な予備軍を送り込めなかった。さらに、ドイツ軍もガスの影響を受けた。結局、連合国軍はイギリス軍と新しく到着したカナダ師団で持ちこたえ、第二次イーペル会戦では大した前進にはならなかった。ガスの使用により、第一次世界大戦の塹壕戦ではまれである守備側の損害が攻撃側よりも遥かに大きい（7万対3万5千）という現象がおこった。5月9日、英仏は第二次アルトワ会戦で突破を試みた。会戦の結果は連合国軍が111,000人、ドイツ軍が75,000人の損害を出したが、連合国軍は限定的な成功しかできず、攻勢は6月中旬に中止された。ドイツ側では塹壕戦における守備側の有利をさらに拡大するために戦術を変更した。守備側は伝統的には兵士を見晴らしが最もよく、射界が最も広い最前線に集中して配置したが、連合国軍が物質上で優位にあったため、ドイツ軍は守備を塹壕の2列目に集中した。これにより、連合国軍が塹壕を突破する間にドイツ軍が予備軍を投入することができる一方、連合国軍の砲兵は視界の問題によりドイツの陣地を消滅させられるだけの射撃の正確さを失った。1915年の西部戦線における最後の戦闘は9月から11月にかけて、連合国軍が仕掛けた第二次シャンパーニュ会戦と第三次アルトワ会戦だった。シャンパーニュ会戦とローの戦いはともに失敗して大損害を出し、大量の物資を費やしながら結果が伴わなかった。「協商国の部隊は最小限の前進のために25万人までの損害を受けなければならなかった」。
一方、英仏両軍はオスマン帝国に対しては本土侵攻を企図した。2月19日、連合国軍のダーダネルス作戦が始まり、英仏艦隊がダーダネルス海峡の沿岸要塞（オスマン帝国領）を艦砲射撃した。連合国軍の目的は首都コンスタンティノープルを脅かすことによってオスマン帝国を戦争から脱落させ、黒海を経由するロシアの補給路を回復することだった。3月18日、イギリスのジョン・デ・ロベック提督率いる艦隊が突破を試みたが、戦艦3隻を喪失、ほか損傷した戦艦もあった。その結果、連合国は上陸作戦でダーダネルス海峡を開かせることを決定した。イギリスは既にアレクサンドレッタに上陸してオスマン帝国の南部地域を中枢のアナトリア半島から切り離すことを計画していた。連合国軍はギリシャ王国の中立を侵犯して、エーゲ海のリムノス島をオスマン帝国攻撃の拠点として占領していた。そして、4月25日にはリムノス島から出撃して連合国軍はガリポリ半島とアジア側の対岸にあるクンカレに上陸した。戦艦11隻が援護についた船200隻がイギリスの地中海遠征軍78,000人とフランスの東方遠征軍17,000人を運んだ。イギリスの遠征軍にはオーストラリア・ニュージーランド軍団（ANZAC）も含まれ、この戦闘がANZACの初戦となった。結局攻撃は失敗したが、その理由はオスマン軍の予想以上の抵抗であり、オットー・リーマン・フォン・ザンデルス率いるオスマン第5軍が活躍した。中でもムスタファ・ケマル・ベイ率いる第19歩兵師団が頭角を現し、ムスタファ・ケマルが国民的英雄としての名声を得るきっかけの1つとなった。連合国軍50万人以上が投入されたこの戦役は1916年1月9日に連合国軍が撤退したことで終結、死者は両軍の合計で11万人となっている。
5月23日、イタリア王国がオーストリア＝ハンガリーに宣戦布告した。1月以降、ドイツはオーストリア＝ハンガリーに要請して、トレンティーノなどの割譲に同意してイタリアを少なくとも中立に留まらせようとした。5月4月に三国同盟が解消された後もイタリアへの提案は段々とグレードアップし、10日にはトレンティーノ、イゾンツォ川沿岸の割譲、アルバニア公国における自由行動権などが提案された。一方、イタリアは連合国と交渉して4月26日にロンドン条約を締結した。条約ではイタリアが連合国側で参戦した場合、未回収のイタリアの獲得を約束した。イタリア首相アントニオ・サランドラと外相シドニー・ソンニーノは数か月かけて国王ヴィットーリオ・エマヌエーレ3世の同意を取り付け、対オーストリア宣戦を決定した。宣戦を支持したのは国民の間でも議会でも多数派ではなかったが、対オーストリア主戦派が遥かに活動的だったため、あらゆる政治路線の世論主導者を団結させることができ、宣戦の決定はこの世論に押された結果だった。政治面でのイッレデンティズモ（失地回復主義あるいは未回収地回復運動）は、例えば、チェザーレ・バッティスティが支持していた。作家で後にファシズムの先駆者となったガブリエーレ・ダンヌンツィオは首都ローマで戦争を支持するデモやイベントなどを組織。当時は社会主義者ジャーナリストだったベニート・ムッソリーニも1914年10月以降参戦を訴えて、イタリア社会党から除名処分を受けていた。ムッソリーニは（おそらくフランスからの資金を受けて）新聞の『イル・ポポロ・ディタリア』を創刊して、連合国側で参戦することを求めた。主戦派はフィリッポ・トンマーゾ・マリネッティら未来派の支持も受けた。宣戦直前のイタリア議会は多数派の長で元首相のジョヴァンニ・ジョリッティの中立路線を支持した（ダンヌンツィオがジョリッティの暗殺予告を出したほどであった）が、実際に政治上の決定を下したのは議会ではなかった。5月20日に議会が戦争借款を審議したとき、借款に反対したのは社会主義者だけだった。ジョリッティ派やカトリック教会などは戦争に反対したが、愛国的であると証明しようとして借款を受け入れた。イタリア戦線の前線はスイス国境のステルヴィオ峠からドロミーティ山脈、カルニーチェ・アルプス、イゾンツォ川、そしてアドリア海岸まで続く。オーストリア＝ハンガリーは三正面作戦（セルビア、ロシア、イタリア）を強いられ、中央同盟国の情勢がさらに厳しくなった。しかも、イタリアが参戦した直後、オーストリアは十分な兵力でイタリアとの前線を守備することができなかった。一部地域では民兵、ラントヴェーア、シュタントシュッツェン3万人を含むラントシュトルムなどに頼っていた。イゾンツォ川沿いの戦闘は宣戦布告直後に行われ、第一次イゾンツォの戦いは6月23日に開始した（7月7日まで）。イタリアは人数で大きく優勢で、広大な領土を占領したにもかかわらず、第一次イゾンツォの戦いも第二次イゾンツォの戦いも（7月17日 - 8月3日）大きな突破にはならなかった。第三次（10月18日 - 11月3日）と第四次（11月10日 - 12月2日）は人命と資源が大量に失われたが、大局は全く変わらなかった。第一次ドロミーティ攻勢（7月5日 - 8月4日）はアルプス山脈の戦役の始まりとなったが、軍事史上でも画期であった。すなわち、標高の高い山上で長期間戦闘が行われる初例となったのであった（オルトレス山の標高は約3,900mだった）。
サリカミシュの戦い以降、オスマン帝国の青年トルコ人政権はアルメニア人によるサボタージュを疑った。ロシア軍が4月中旬にヴァン湖に接近すると、オスマン帝国は現地のアルメニア人首領を5人処刑した。4月24日、コンスタンティノープルでアルメニア人知識層が多数逮捕された。ロシア外相セルゲイ・サゾノフは5月24日に（4月27日に準備された）抗議文を発表、アルメニア人の100集落以上でアルメニア人がオスマン政府によって系統的に虐殺されたと主張した。翌日（5月25日）、オスマン内相タラート・パシャはアルメニア人を戦域からシリアとモースルに強制移送すると発表した。27日と30日にはオスマン政府が強制移送法を発表、系統的なアルメニア人虐殺とアッシリア人虐殺が始まった。ドイツ大使ハンス・フォン・ヴァンゲンハイムは6月にドイツ首相テオバルト・フォン・ベートマン・ホルヴェークに報告を行い、「世界大戦を利用して内部の敵、すなわちキリスト教徒を外国の外交介入なしに廃除する」というタラート・パシャの考えを伝えた。エルズルムにいたドイツ駐オスマン帝国副領事マックス・エルヴィン・フォン・ショイブナー＝リヒターも7月末に「アルメニア人に対する行動の最終的な目的はトルコにおける絶滅である」と報告した。ヴァンゲンハイムの後任パウル・ヴォルフ・メッテルニヒは1915年12月にアルメニア人側で介入しようとし、ドイツ政府にアルメニア人の強制移送と虐殺を発表するよう提案したが、ベートマン・ホルヴェークは「戦争の最中、公的に同盟者と対決することは前代未聞だ。私たちの唯一の目的は、アルメニア人が滅ぶか滅ばないかにかかわらず、終戦までトルコを味方につけ続けることだ。」と拒否した。ローマ教皇ベネディクトゥス15世もオスマン帝国スルタンのメフメト5世に手紙を書いたが、時既に遅しであった。アルメニア人虐殺により終戦までに約100万人が死亡、同時代では1894年から1896年までのポグロムの虐殺や1909年のアダナ虐殺と比べてホロコーストと呼ばれた。
1915年10月14日にブルガリア王国が中央同盟国側で参戦した。その背景にはブルガリアがバルカン戦争で「ブルガリア民族の国」を建国するための領土拡張に失敗したことがあった。ブルガリアが第一次バルカン戦争で勝ち得た領土は1913年のブカレスト条約でほぼ全て返還されることとなり、またブルガリアは一連の戦争で弱体化した。1914年8月1日、ブルガリア首相ヴァシル・ラドスラホフ率いるブルガリア政府は厳正中立を宣言したが、中央同盟国も連合国もどちらもブルガリアに働きかけて各々の陣営に引き込んで参戦させようとした。交渉が開始された時点では中央同盟国の方が有利であった。というのも、ブルガリアの領土要求はセルビア、そして（連合国側での参戦が予想される）ルーマニア王国とギリシャ王国の領土を割譲させることによって容易に達成できるからであった。結果的には中央同盟国がブルガリアにマケドニア、ドブロジャ、東トラキアの獲得を約束。また1915年秋には情勢が中央同盟国にやや有利だったため、ブルガリアは中央同盟国に味方した。セルビアを攻撃することで、オスマン帝国と陸路での連絡を成立させたかった中央同盟国に対し、ブルガリアは9月6日に協力に同意した。ブルガリアの参戦は賛否両論だったが、政府が参戦を決意すると、反対派は社会民主主義者の一部を除いて戦争遂行に協力した。10月6日、アウグスト・フォン・マッケンゼン元帥率いるセルビア攻勢が始まり、10月14日にはブルガリアがセルビアに宣戦布告した。これにより、セルビアは数的には劣勢になり、連合国がテッサロニキの北で部隊を上陸させた後でも劣勢が覆らなかった。ギリシャは1913年6月1日にセルビアと相互援助条約を締結したが（ギリシャ・セルビア同盟）、連合国軍の支援が不足しているとして参戦を拒否した。ベオグラードが10月9日に、ニシュが11月5日に陥落すると、ラドミル・プトニク率いるセルビア軍（開戦時には36万人いたが、この時点では15万しか残っていない）は捕虜約2万人を連れてアルバニア公国やモンテネグロ王国の山岳地帯に撤退した。セルビア軍はケルキラ島で再編された後、マケドニア戦線に投入された。占領されたセルビアはオーストリア＝ハンガリーとブルガリアの間で分割された。
カフカース戦線のサリカミシュの戦いは1915年1月5日にオスマン帝国の大敗に終わった。シナイ半島とパレスチナ戦役ではフリードリヒ・クレス・フォン・クレッセンシュタイン率いるオスマン軍が1月末にスエズ運河に向けて攻勢に出たが失敗した（スエズ運河襲撃）。1915年7月にはドイツ領南西アフリカの植民地守備隊(Schutztruppe)が降伏し、南西アフリカ戦役が終結した。メソポタミア戦役ではイギリス軍の進軍が11月22日から25日までのクテシフォンの戦いで（実質的にはコルマール・フォン・デア・ゴルツ率いる）オスマン軍に阻止された。また、イギリス領インド軍の海外派遣部隊が12月7日にクートで包囲された。
12月にフランス軍の総指揮官に就任したジョゼフ・ジョフルは12月6日から8日まで連合国間のシャンティイ会議を開催した。中央同盟国の内線を有利に利用すべく、1916年中に全ての前線で共同して攻勢に出ることが計画された。イギリスではガリポリの戦いの失敗により、ハーバート・ヘンリー・アスキス内閣は5月に改造してそれまで野党であった保守党の入閣に同意せざるを得なかった。このアスキス挙国一致内閣では1915年春の砲弾危機に対応するために軍需大臣が新設された。10月と11月にはドイツでのグロサリー、配給所やフライバンクに対する食料制限の引き締めにより、まず暴動が起き、続いて主に女性によるデモが行われた。11月30日、女性58人が首都ベルリンのウンター・デン・リンデンでデモを行った時に逮捕されたが、この逮捕には報道管制が敷かれた。また1914年11月には既に穀物、パン、バター、ポテトの値段が大幅に上昇し、農民も都市部には供給したくなかった。供給問題の原因は当局が戦争の長期化を予想せず全く準備しなかったこともあったが、戦争により食料品と硝酸塩（化学肥料の生産に必要）の輸入が止まり、戦争に馬と兵士が動員され、農業をする人手が足りなくなったことにもよる。1914年末、参議院がパン、ポテト、砂糖の最高価格を定め、1915年1月にはほかの基本食料品にも同じ措置がとられたため、ドイツの農民は闇市で取引するようになった。1915年末には「インフレが脅威になってきた。より厳しい食料制限が始まり、最近数週間の雰囲気が変わってきた。特に女性の間で『食料をくれ！それから、私の夫も！』という怒りの叫びをするようになった。」という観察もあったという。闇市の隆盛により、ドイツではイギリスの海上封鎖のみが食料不足の原因であるとする政府のプロパガンダを信じる者が減少した。食料供給の政策に失敗した結果、1915年末までに「市民は国から疎遠になり、国の『非正当化』が始まるほど」となった。ドイツ社会民主党の国会議員と党首は11月27日に国会でベートマン・ホルヴェーク宰相に対し、いつ、どのような条件で講和交渉をするかを質疑することを決定した。ベートマン・ホルヴェークは質疑を取り下げさせることに失敗し、12月9日には国会で喚問された。彼はフィリップ・シャイデマンの質問に対し、東部と西部の「安全」（併合）が平和に不可欠であるとしたが、外国では「覇権主義の演説」として扱われた。その結果、国会では12月21日に社会民主党の代表20名が戦争借款の更新を拒否。ベートマン・ホルヴェークを「併合の主導者」としてこき下ろした声明を出した。
1月4日、オーストリア軍がモンテネグロ王国に侵攻。23日にはモンテネグロ王ニコラ1世が降伏し、フランスへ逃亡した（モンテネグロ戦役）。アルバニア王国も約3分の2の領土をオーストリア＝ハンガリー軍に占領された。これを受け、当時モンテネグロとアルバニアに撤退していたセルビア軍の大半は更に撤退した。まずイタリアの遠征軍が1915年12月に上陸し、占領していたドゥラス（アルバニア中部）へ向かった。続いて1916年3月にイタリアがドゥラスから約26万人を撤退させた時、セルビア軍約14万人も撤退した。セルビア兵士は当時フランスに占領されていたケルキラ島（元はギリシャ領）に逃れ、再編成を受けた（6月にはフランスの東方軍とともにテッサロニキに移った）。ニコラ・パシッチ率いるセルビアの亡命政府もケルキラ島で成立した。ドゥラスから撤退した人のうち、オーストリア軍捕虜約2万4千人も含まれたが、この捕虜たちはサルデーニャ北西部のアジナーラ島に移送され、うち約5千人が死亡した。イタリア軍はアルバニアの港湾都市ヴロラを維持することに成功したため、アルバニア南部での勢力を維持、拡張することができた。降伏したモンテネグロでは1916年2月26日から1917年7月10日までヴィクトル・ヴェーバー・エドラー・フォン・ヴェーベナウが軍政府を率いた。一方、アルバニアはオーストリア＝ハンガリーと積極的に戦わなかったため、オーストリア＝ハンガリーの外交官アウグスト・リッター・フォン・クラルの指導下ではあるものの文民による統治委員会の成立が許された。オーストリア＝ハンガリーはアルバニア人の統治への参加を許し、学校とインフラストラクチャーを建設したことでアルバニア人の支持を得ようとした。
西部戦線では2月21日、ヴェルダンの戦いが始まった。作戦の発案者ファルケンハインが1920年に出版した著述によると、後世に残った印象と違い、ヴェルダンの戦いは無目的にフランス軍に「出血」を強いるものではなかったという。彼はその著述で攻撃の失敗を弁護し、「血の水車」という伝説に反論しようとした。ヴェルダン攻撃を着想したのはドイツ第5軍の指揮官ヴィルヘルム皇太子で、参謀コンスタンティン・シュミット・フォン・クノーベルスドルフがその任務を受け持った。ヴェルダンの要塞はフランス国内で最も堅固な要塞だったが、1915年にはその武装が一部解除されており、ドイツ軍部はヴェルダンを攻撃することで西部戦線に活気をもたらそうとした。また、ドイツ軍から見るとヴェルダンは東のサン＝ミーエルと西のヴァレンヌに挟まれたフランス軍の突起部であり、ドイツ軍の前線を側面から脅かしていた。ヴェルダンの占領自体が戦闘の主要な目的ではなく、マース川東岸の台地を占領することで大砲をヴェルダンを見下ろせる位置に配置することができ、ヴェルダンを守備不能にすることが目的だった。ファルケンハインは、フランスが国威を維持するために（普通ならば受け入れられない損害を出してでも）ヴェルダンを死守すると考えていた。しかし、ドイツ軍の計画が成功した場合、フランスがヴェルダンを維持するためにはドイツ砲兵の占領した高台を奪回しなければならず、1915年の戦闘の経験からは不可能だと思われた。ヴェルダンの戦いの第一段階において、ドイツ軍第5軍の8個師団は大砲1,500門で8時間にわたって箱型弾幕を放った。この砲撃はヴェルダンの北にあるオルヌ（現代では消滅集落）で長さ13kmの前線にわたって行われた。ドイツ軍の予想と違い、フランス軍が激しく抵抗したため当初はほとんど前進できなかった。ドイツ軍は2月25日にドゥオモン要塞を占領したが、要塞が東向きだったため戦術的にはあまり重要ではなかった。しかし、ドゥオモン要塞を失ったフランスは何としてもヴェルダン要塞を死守しなければならないと決定、ヴェルダンの守備にフィリップ・ペタン将軍を任命した。フランスはバル＝ル＝デュックとヴェルダンを繋ぐ唯一の道路（神聖街道と呼ばれた）で、兵士を交替させる補給システムを築いた（このシステムはノリアと呼ばれた）。ヴェルダンの戦いの第一段階はフランス砲兵がマース川西岸の台地から砲撃してドイツ軍の進軍を停止させたことで3月4日に終結した。第二段階ではファルケンハインがドイツ第5軍からの圧力で、これらの台地への攻撃を許可した。台地のうち、ドイツ軍はル＝モルトーム（「死人」の意）という台地を何度か奪取したが、すぐに奪い返された。ル＝モルトームとその隣の304高地はヴェルダンの戦いで残忍な戦闘が起こったため「ヴェルダンの地獄」（Hölle von Verdun）の象徴とされている。第三段階ではドイツ軍が再びヴェルダンの占領に集中、6月2日にヴォー要塞への強襲を開始した。23日には兵士7万8千でヴォー＝フルーリー線への攻撃を開始したが、戦況は膠着した。直後の第四段階ではドゥオモンのすぐ南にあるティオモン堡塁をめぐって激しい戦闘が行われた。そして、ドイツの攻勢はヴェルダンから北東約5kmのスーヴィル要塞で行き詰まった。7月11日、ファルケンハインは攻勢が行き詰まったことと、7月1日に連合国軍が攻勢に出てソンムの戦いが開始したことを理由に攻勢の停止を命じた。
1916年初、ドイツの首脳部は再び対英潜水艦作戦の増強について討議した。セルビアが敗れたことで、ファルケンハインはヴェルダン攻勢のほかにも（アメリカを敵に回してでも）イギリスに対しより積極的に行動する時期が来たと考えた。ヘンニング・フォン・ホルツェンドルフ海軍参謀総長も1年以内にイギリスを屈服させられることを保証した。ベートマン・ホルヴェークは交渉の末ヴィルヘルム2世に決定を先延ばしにさせることに成功、当面は潜水艦作戦の増強（警告なしで武装した商船を撃沈することを許可、ただし無制限潜水艦作戦は不可）を決定した。3月初、ドイツ帝国海軍省がマスコミで無制限潜水艦作戦を支持する宣伝攻勢を始め、ヴィルヘルム2世を激怒させたためティルピッツは3月15日に海軍大臣を辞任せざるを得なかった。ドイツ潜水艦による客船サセックス攻撃がアメリカとの間で問題となり、ドイツは5月にサセックスの誓約を出して潜水艦作戦の増強を取りやめることとなった。5月31日から6月1日にかけて、両軍艦船合わせて排水量180万トンにもなる「世界史上最大の海戦」という予想外のユトランド沖海戦が行われ、両軍合計で8,600人が死亡した（その中には作家のゴルヒ・フォックもいた）。ドイツの大洋艦隊は規模で上回るイギリス艦隊に対し幸運にも逃走に成功。またイギリス艦隊の損害はドイツ艦隊のそれを上回ったが、戦略的には何も変わらず、イギリスは北海の制海権を保った。
シャンティイ会議での決定に基づき、連合国軍は1916年中に3つの攻勢を計画した。すなわち、ソンム会戦、ブルシーロフ攻勢、次のイゾンツォ川の戦いの3つだった。7月1日のソンム会戦は元はフランス主導の作戦だったが、ヴェルダンの戦いによる消耗があったためイギリス軍が大半を占めるに至った。イタリア戦線では2月のヴェルダンの戦いにより連合国はイタリアに要請して3月11日に攻撃を開始（第五次イゾンツォの戦い）、オーストリアも5月15日から南チロル攻勢を開始（6月18日に終結）したためロシアのブルシーロフ攻勢が6月4日に始まった。その後はイタリアによる第六次イゾンツォの戦いが8月4日に始まった6月4日、ブルシーロフ攻勢が始まり、この時点の連合国にとって最大の勝利となった。3月にロシア南部軍の総指揮官に就任したアレクセイ・ブルシーロフはそれまでの失敗から戦術を反省した。まず、攻勢が最短距離400kmという長い前線で行われ、敵軍に一点突破を許さなかった。そして、ロシア軍は秘密裏にオーストリア軍の防衛線に忍び寄り、50m程度の距離まで近づいた（それまでの攻勢では両軍間の無人地帯が1,600mもあったため、大きな損害が出てしまう）。ブルシーロフの数的優勢は少なかった（一般的な攻勢に必要な数的優勢に及ばなかった）が、ロシア第8軍は6月8日にコーヴェリでオーストリア＝ハンガリー第4軍をほぼ全滅させ、ロシア第9軍も南部のドニエストル川とカルパティア山脈の間でオーストリア＝ハンガリー第7軍を撃破、チェルニウツィーやコロムィーヤなど重要な都市（いずれも現ウクライナ領）を占領した。オーストリア＝ハンガリーの損害は624,000人だった。ブルシーロフはルーマニア国境近くで最も多く前進（約120km）、ルーマニア王国が連合国側で参戦する決定的な要因となった。しかし、補給の問題でさらなる進軍ができず、前線のごく一部にあたるピンスク湿原やバラーナヴィチで試みられた攻撃も交通の要衝コーヴェリ占領の試みも失敗した（コーヴェリの戦い）。「それでも、ブルシーロフ攻勢は――わずかな領土でも争われる第一次世界大戦の規模からすれば――エーヌ会戦で塹壕戦が始まった以降の連合国軍が勝ち取った最大の勝利であった」。ヴェルダンの戦いによりフランス軍の派遣軍が40個師団から11個師団に減ったため、ダグラス・ヘイグ率いるイギリス海外派遣軍が代わってソンムの戦いを主導した。連合国軍は8日間にわたって大砲1500門以上でドイツ軍の陣地を砲撃した後（合計で砲弾約150万発が発射された）、1916年7月1日にソンム川沿岸でドイツ軍の陣地を攻撃した。大規模な砲撃の直後にもかかわらず、ドイツ軍の塹壕は無事に残っており、ドイツ兵士は機関銃の砲火でイギリス軍に対抗した。ソンム会戦の初日だけでイギリス軍は19,240人の死者を出し、うち8千人は攻撃が開始した直後の30分内に死亡した。夥しい損害にもかかわらず、ヘイグは攻勢の継続を命じた。9月15日にはイギリス軍が軍事史上初めて戦車の実戦投入を行った（マーク I 戦車）。11月25日まで続いた戦闘において、連合国軍は長さ30km攻撃線において8から10km前進したが、英仏軍の損害は少なくとも624,000人で、ドイツ軍も42万人の損害を出した。ドイツ軍の損害は文献によって違い、ドイツ側では335,688人としたが、イギリス側では軽傷者の数が多いとして最大で65万人とした。いずれにしても、ソンムの戦いは第一次世界大戦で損害の最も大きい戦闘であった。ソンムの戦いが開始した7月1日はイギリスで記念されており、イギリスの歴史家ジョン・キーガンは1998年に「イギリスにとって、ソンムの戦いは20世紀最大の軍事悲劇であり、その歴史全体においてもそうである。（中略）ソンムの戦いは命をなげうって戦うことを楽観的に見る時代の終結を意味した。そして、イギリスはその時代には二度と戻らなかった。」と述べた。1916年末にソンムの戦いでの損害が公表されたことで、12月にイギリス首相がハーバート・ヘンリー・アスキスからデイヴィッド・ロイド・ジョージに交代した。
5月から6月、南チロル地域のオーストリア＝ハンガリー軍はイタリア軍の陣地に対し攻勢に出たが、成果が限定的だったうえに東部戦線でロシアがブルシーロフ攻勢を開始したため、すぐに攻撃を中止した。イタリア軍も3月から11月にかけてイゾンツォ川沿岸で大規模な攻勢をしばしば行い（第五次、第六次、第七次、第八次、第九次イゾンツォの戦い）、ゴリツィア市やドベルド・デル・ラーゴを占領したが、それ以上の成果に欠いた。オーストリア＝ハンガリーの要請を受け、ドイツは1915年5月から11月にかけてアルペン軍団（Alpenkorps）を南チロル戦線の支援に投入した。その後、イタリアは1916年8月28日にドイツに宣戦布告した。南アルプスの山岳戦の最中の12月13日、イタリアとオーストリア＝ハンガリー軍数千人が雪崩により死亡した（白い金曜日）。
1916年8月27日、ルーマニア王国がオーストリア＝ハンガリーに宣戦布告した（実際には数日前にルーマニア戦線を開いた）。ルーマニアは1883年に三国同盟に加入したが、開戦時点では条約の逐語解釈に基づき中立に留まった。国内でも首相イオン・ブラティアヌ率いる自由派は連合国への接近を主張、保守派の大半は中立に留まろうとした。中央同盟国側で参戦することを主張した政治家の1人は国王カロル1世だった。ロシアは1914年10月1日にルーマニアによるトランシルヴァニアへの請求を認めることで合意していた。ルーマニアが第二次バルカン戦争後のブカレスト条約でブルガリアとオスマン帝国から南ドブロジャを獲得しており、またブルガリアが中央同盟国側で参戦したこともルーマニアが連合国側で参戦する一因となった。ルーマニアがオーストリア領トランシルヴァニアの領土、バナト、ブコビナを獲得する「大ルーマニア協定」という連合国との対オーストリア＝ハンガリー軍事同盟が締結された。連合国はこの協定を完全に履行するつもりはなかったが、ルーマニアは連合国による8月17日のブルシーロフ攻勢の成功もあって正式に連合国に加入した。数的には大きな優勢を有りつつも装備の劣るルーマニア軍はトランシルヴァニアからハンガリーに深く侵入したが、ファルケンハイン率いるドイツ第9軍は9月26日から29日にかけてのシビウの戦いでルーマニア軍を撃破した。ほかにもクロンシュタットにおいて第一次世界大戦では珍しい大規模な市街戦が10月8日まで行われ、オーストリア＝ハンガリーがクロンシュタットを占領した。中央同盟国は挟み撃ちでルーマニアに攻撃した。11月23日、ブルガリア、オスマン、ドイツのドナウ軍が南西からドナウ川を渡河した。そして、ツェッペリン飛行船のLZ81、LZ97、LZ101と攻撃機も加わり、首都ブカレストが12月6日に陥落した（ブカレストの戦い）。ルーマニアの参戦に乗じて、中央同盟国は1916年中にプロイェシュティの油田やルーマニアの穀倉地帯を占領することができ、同年に始まったドイツにおける供給の不足を補った。ルーマニアはロシアの助力を借りて北東部を辛うじて保持するだけであり、国王フェルディナンド1世は政府とともにヤシに脱出した。
1916年夏に連合国軍が全戦線で攻勢に出てドイツ軍が危機に陥ると、ヴィルヘルム2世にエーリッヒ・フォン・ファルケンハインを解任させる圧力が日に日に高まっていった。ルーマニアが8月27日に参戦したことが解任のきっかけになり、29日に新しく就任したパウル・フォン・ヒンデンブルクはエーリヒ・ルーデンドルフとともにヴェルダン攻勢を中止。即座に経済動員を強化して総力戦を準備した。その経済動員の強化とは8月31日にプロイセン戦争省が提出した要求で後にヒンデンブルク・プログラムと呼ばれたものであった。しかし、ヒンデンブルクとルーデンドルフの任命は実質的には軍事独裁への転向でもあった。「その威光により実質的には解任できないヒンデンブルクとルーデンドルフを任命したことによって、皇帝はさらに目立たなくなっただけでなく、政治的にも最高司令部に動かされるようになった。（中略）解任できない2人の将軍には（中略）軍事上の権力をはるかに超えて政治に介入、人事任免という帝国の権力中心にも皇帝に圧力をかけることで決定的な影響を及ぼす用意があった」。
フランス軍は秋にヴェルダンで反撃に転じた。10月24日、フランス軍はドゥオモン要塞とティオモン要塞を占領した。その後、フランス軍が更に攻勢に出たため、ドイツ軍は12月2日にヴォー要塞から撤退した後にそれを爆破した。結局、ドイツ軍が春に占領した陣地は12月16日までに全てフランス軍に奪回された。ヴェルダンの戦いにおいて、ドイツ軍は337,000人の損害（うち死者143,000人）を出し、フランス軍は377,000人の損害（うち死者162,000人）を出した。少なくとも3,600万発の手榴弾が約30km x 10kmの戦場で投下された。フランス軍最高司令官ジョゼフ・ジョフルはドイツ軍がヴェルダンに攻撃した目的の判断を誤り、さらに第二次シャンパーニュ会戦やソンムの戦いで大損害を出したにもかかわらず全く前進できなかったことで批判を浴び、12月3日にロベール・ニヴェル将軍に最高司令官の座を譲った。ニヴェルはヴェルダンでの反攻を率いて勝利しており、翌年の連合国軍春季攻勢を率いる指揮官として抜擢されたのであった。当時、フィリップ・ペタンもヴェルダンでの守備に成功して「ヴェルダンの英雄」と呼ばれたが、守備を主導したこともあって受け身すぎると考えられたのだった。
1916年11月5日、中央同盟国によりロシア領ポーランドはポーランド摂政王国として建国した（11月5日勅令も参照）。しかし、中央同盟国が予想したポーランドからの軍事支援は実現せず、少数のポーランド軍団（7月までユゼフ・ピウスツキが率いた）が中央同盟国側で戦ったのみである。ポーランド軍団は翌年にポーランド軍になった。ほかにもポーランド人数十万人が（独立ポーランドの国民ではなく）ドイツ、オーストリア＝ハンガリー、ロシア国民として各々の軍に従軍した。中央同盟国はルーマニアに勝利した後、12月12日に中央同盟国の講和案を提出したが、30日に拒絶された。
このようにドイツ海軍による無制限潜水艦作戦を再開すると、イギリスをはじめとする連合国から日本に対して、護衛作戦に参加するよう再三の要請が行われた。1917年1月から3月にかけて日本とイギリス、フランス、ロシア政府は、日本がヨーロッパ戦線に参戦することを条件に、山東半島および赤道以北のドイツ領南洋諸島におけるドイツ権益を日本が引き継ぐことを承認する秘密条約を結んだ。これを受けて大日本帝国海軍は、インド洋に第一特務艦隊を派遣し、イギリスやフランスのアジアやオセアニアにおける植民地からヨーロッパへ向かう輸送船団の護衛を受け持った。1917年2月に、巡洋艦「明石」及び樺型駆逐艦計8隻からなる第二特務艦隊をインド洋経由で地中海に派遣した。さらに桃型駆逐艦などを増派し、艦隊は合計18隻となった。第二特務艦隊は、派遣した艦艇数こそ他の連合国諸国に比べて少なかったものの、他の国に比べて高い稼働率を見せて、1917年後半から開始したアレクサンドリアからマルセイユへ艦船により兵員を輸送する「大輸送作戦」の護衛任務を成功させ、連合国軍の兵員70万人を輸送するとともに、ドイツ海軍のUボートの攻撃を受けた連合国の艦船から7000人以上を救出。連合国側の西部戦線での劣勢を覆すことに大きく貢献し、連合国諸国から高い評価を受けた。一方、合計35回のUボートとの戦闘が発生し、多くの犠牲者も出した。
ドイツでは1916年から1917年にかけての冬、天候による不作などが原因となってカブラの冬が起きた。最高価格の定められた状況ではポテトや穀物をそのまま売るより、飼料として使ったり、蒸留所に売ったりしたほうが利益が出たため、状況はさらに悪化した。2月、毎日の食料配給が1,000kcal分まで下がり（成人が必要な生理的熱量は平均で毎日2,410kcal）、食料不足がさらに厳しくなった。カブラの冬により、ドイツの社会が団結していない状況（生産者と消費者の対立）、そして国が食料を提供する能力の不足が浮き彫りになった。