С первых дней войны в Европе образовалось два фронта: Западный и Восточный.

Верховным главнокомандующим русской армией стал дядя императора, великий князь Николай Николаевич. При нём был создан орган высшего управления войсками — Ставка Верховного главнокомандующего.

В соответствии с планом Шлиффена немцы начали наступление на Западном фронте, стремясь к Парижу. Франции понадобилась срочная помощь. По приказу Ставки 1-я и 2-я русские армии (командующие Павел Ренненкампф и Александр Самсонов) перешли в наступление в Восточной Пруссии (Восточно-Прусская операция).

Первым крупным сражением войны стала битва при Гумбиннене 20 августа 1914 г. Немецкая 8-я армия понесла тяжёлые потери и отступила. Это была первая победа русской армии в начавшейся войне. Дорога в Восточную Пруссию была открыта. Русские войска начали преследование противника, но из-за отставания тылов и больших потерь продвижение вскоре замедлилось.

Между тем противник перегруппировал свои силы, сняв часть войск с Западного фронта, сменил командование. Вскоре немцы перешли в контрнаступление, и 2-я русская армия была разгромлена. Однако благодаря действиям русских войск в Восточной Пруссии, оттянувших на себя значительные германские силы, Франция сумела остановить наступление противника на Париж и одержать победу на Марне в сентябре 1914 г.

На Юго-Западном фронте против австро-германских сил была предпринята Галицийская операция 1914 г. под командованием генерала Иванова. В результате этого успешного наступления русская армия заняла почти всю Восточную Галицию, Буковину, осадила крепость Перемышль (сдалась весной 1915 г.). Тем самым был предотвращён разгром Сербии. Важным итогом Галицийской операции стало то, что армия Австро-Венгрии потеряла способность проводить крупные наступательные операции без поддержки Германии. Тем самым расчёты немецкого Генштаба удерживать Восточный фронт силами лишь австро-венгерской армии не оправдались.

После сражения на р. Марне и русских побед в Галиции Германия стала торопить со вступлением в войну Турцию, чтобы оттянуть русские силы к Кавказу, а английские — в Египет.

В октябре 1914 г. германо-турецкий флот внезапно атаковал русские суда в Чёрном море, были обстреляны Севастополь, Феодосия, Новороссийск, Одесса. В декабре турецкая армия начала наступательные операции в Закавказье. Но, несмотря на численное превосходство, добиться успеха турки не смогли. В конце декабря русские войска перешли в контрнаступление. В ходе Сарыкамышской операции 1914—1915 гг. противник потерял более 70 тыс. человек из 90-тысячного состава армии и вынужден был отступить к Эрзеруму.

Таким образом, на Кавказском фронте российские войска, обороняясь, смогли полностью разгромить наступавшего противника.

Германское командование решилосконцентрировать основные силы на Восточном фронте, чтобы разгромить русскую армию и вывести Россию из войны.

В мае немецко-австрийская армия, сосредоточив крупную группировку войск и усилив её артиллерией, начала наступательную операцию у местечка Горлице — Горлицкий прорыв.

Русские войска были вытеснены из Галиции и ряда западных российских губерний. Территориальные потери сопровождались огромными людскими потерями. Причины «великого отступления» русской армии заключались в недостатках снабжения вооружением и боеприпасами.

В то же время союзники, получившие благодаря активизации военных действий на Восточном фронте временную передышку, не спешили помогать России.

В 1915 г. на Западном фронте продолжалась позиционная война, однако не было ни одной крупной операции. Военная кампания 1915 г. была успешной для Германии. Её руководству казалось, что русская армия больше не способна вести серьёзные наступательные операции.

Германский Генштаб принял решение вновь перенести основные боевые действия на Западный фронт. В этой ситуации Франция обратилась к России с просьбой начать наступление на Восточном фронте и, более того, направить ей на помощь 400-тысячную армию. Несмотря на военные неудачи, русская армия, Верховным главнокомандующим которой с августа 1915 г. стал Николай II, смогла удержать фронт и направила свои войска во Францию.

Главным итогом этого периода стало то, что германский план разбить союзников по частям провалился. Германия была вынуждена продолжать войну на два фронта. При этом главная тяжесть военных действий легла на плечи России.

Кавказская армия под командованием генерала Николая Юденича в середине января 1916 г. предприняла наступление на мощную крепость Эрзерум. Подобные укрепления в горах в суровое зимнее время штурмовать ещё никому не приходилось.

Русские войска за пять дней сумели преодолеть сопротивление турок и взяли крепость. Потери противника составили 60 тыс. человек. После Эрзерумской операции, ставшей одним из самых крупных военных успехов русской армии, союзники заключили с Россией соглашение, предусматривавшее передачу ей после войны черноморских проливов и части Турецкой Армении.

В феврале 1916 г. германская армия перешла в наступление на французский укреплённый район с крепостью Верден. В ходе Верденской битвы погибло и было ранено около 1,3 млн человек с обеих сторон. Таких грандиозных сражений мировая история ещё не знала.

По настойчивой просьбе союзников русское командование в самые короткие сроки разработало план наступления со своей стороны на Германию, чтобы оттянуть часть сил с Западного фронта. Основная тяжесть легла на войска Юго-Западного фронта под командованием генерала Алексея Брусилова.

22 мая (4 июня) 1916 г. после массированных артиллерийских обстрелов русские войска начали наступление на австрийские позиции. В результате фронт был прорван на протяжении 450 км, глубина прорыва составила 80—120 км: Брусиловский прорыв поставил Австро-Венгрию на грань катастрофы.

Германия была вынуждена перебросить с запада большие силы. Однако успех на Юго-Западном фронте не привёл к стратегическим результатам. После подхода резервов противника война приобрела здесь позиционный характер. Именно Брусиловский прорыв способствовал успешному для союзников развитию битвы на р. Сомме (июль—ноябрь 1916 г.) — одной из крупнейших военных операций Первой мировой войны.

Брусиловский прорыв облегчил и положение Италии, вступившей в войну на стороне Антанты: австрийцы были вынуждены перебросить свои войска на восток. В 1916 г. в войну на стороне Антанты вступила Румыния. Брусиловский прорыв и победа на р. Сомме привели к изменению баланса сил в войне — переходу инициативы от Германии к странам Антанты.

Последнее крупное наступление (неудачное) русская армия смогла предпринять летом 1917 г., уже после того, как в стране произошла революция.