Avusturya-Macaristan veliahtının 28 Haziran 1914'te öldürülüşünü takiben Avusturya-Macaristan Devleti, Sırbistan'a harp ilan etmiştir. Bu durum, Avrupa'da, Birinci Dünya Savaşı'nın fitilini ateşleyen bir olay olarak kabul edilmektedir. Almanya'nın Rusya'ya harp ilanı ile Avrupa'da savaş bütün şiddetiyle başlamış; Osmanlı Devleti de İttifak devletleri yanında savaşa katılmıştır. Osmanlı Devleti'nin savaşa girmesi üzerine Yarbay Mustafa Kemal, Sofya'dan vatan müdafaasında aktif görev almak için, Harbiye Nazırlığına başvurarak cephede görev almak istemiştir.
"Arkadaşlarım muharebe cephelerinde ateş hatlarında bulunurken ben Sofya'da askerî ataşelik yapamam" diyen Mustafa Kemal'in 20 Ocak 1915'te, 3'üncü Kolorduya bağlı olarak Tekirdağ'da teşkil edilecek 19'uncu Tümen Komutanlığına ataması yapılmıştır. 2 Şubat 1915'te Tekirdağ'a gelerek burada tümenin kuruluş çalışmalarına başlamıştır. 19'uncu Tümen Komutanı Yarbay Mustafa Kemal'in Çanakkale Muharebeleri'nde göstermiş olduğu üstün komutanlık vasıfları sadece muharebenin değil, savaşın genel akışında ve sonuçlarında büyük değişikliklere neden olmuştur. Conkbayırı'nda karşılaştığı bir olay onun askerî liderliğini ve cesaretini görmek açısından önemli bir örnek teşkil etmektedir:
Conkbayırı'na ulaştığı zaman, 19'uncu Tümene bağlı 27'nci Alayın küçük bir birliğinin "Cephanemiz tükendi." diyerek çekilmekte olduğunu, onların gerisinde de kalabalık düşman askerlerinin ilerlediğini ve Conkbayırı'na ulaşmak üzere olduğunu görmüştür.
Askerlere seslenen Yarbay Mustafa Kemal olayı şu şekilde dile getirmiştir:
-Niçin kaçıyorsunuz?
-Efendim düşman,
-Nerede?
-İşte diye 261 rakımlı tepeyi gösterdiler.
-Düşmandan kaçılmaz, dedim.
-Cephanemiz kalmadı, dediler.
-Cephaneniz yoksa süngünüz var, süngü tak, yere yat, komutu verdim. Bu durumu gören düşman kuvvetleri de yere yatarak beklemeye başladılar. Yapılan süngü savaşı sonunda Conkbayırı kurtulmuştur.
Yine aynı bölgede ölüm kalım savaşı veren Yarbay Mustafa Kemal, Arıburnu'nda askerî birliklere şu şekilde seslenmiştir:
-Size ben taarruzu emretmiyorum, ölmeyi emrediyorum. Biz ölünceye kadar geçecek zaman içinde yerimize başka kuvvetler ve başka kumandanlar gelebilir.
Mustafa Kemal'in askerlerine duyduğu sevgi ve güven, bir subay olarak sahip olduğu mesleki bilgi, tecrübe ve askerî liderlik özellikleri sayesinde; düşmanın ne zaman, ne yapacağı konusundaki öngörüleri Çanakkale Savaşları'nın sonucunu belirlemede çok büyük önem taşımıştır. 1 Haziran 1915'te albay rütbesine terfi eden Mustafa Kemal, 8 Ağustos 1915'te General Liman von Sanders'in emri ile Anafartalar Grubu Komutanlığına getirilmiştir. Anafartalar Grubu Komutanlığındaki üstün başarı ve hizmetlerinden dolayı, 17 Ocak 1916'da Muharebe Altın Liyakat Madalyası ile ödüllendirilmiştir.
Anafartalar Zaferi'nden sonra Mustafa Kemal, kamuoyunca tanınmış, halkın sevgisini kazanmış ve "Anafartalar Kahramanı" olarak anılmaya başlamıştır. Çanakkale Savaşları'ndan sonra Mustafa Kemal, 27 Ocak 1916'da karargâhı Edirne'de bulunan 16'ncı Kolordu Komutanlığına atanmıştır. Edirne'deki bu kolordu, Kafkas Cephesi'nin önem kazanması üzerine bir süre sonra aynı adla Diyarbakır'a nakledilmiştir. Mustafa Kemal, 15 veya 16 Mart 1916'da Diyarbakır'daki görevine gitmek üzere İstanbul'dan ayrılmıştır. 26 veya 27 Mart'ta kolordunun komutasını üzerine almıştır. Albay olarak görevi üzerine alan Mustafa Kemal, 1 Nisan 1916'da mirlivalığa (tümgeneralliğe) terfi etmiştir.
Aynı yıl, Mustafa Kemal Paşa komutasındaki kuvvetler Doğu Cephesi'nde, Rus saldırılarını durdurmuş, 2-3 Ağustos 1916'da Bitlis ve Muş yönünde taarruza geçerek 7 Ağustos'ta Muş'u ve 8 Ağustos'ta Bitlis'i düşman işgalinden kurtarmıştır. 12 Aralık 1916'da, Ahmet İzzet Paşa'nın izinli olarak kısa bir süre İstanbul'a gitmesi üzerine, karargâhı Diyarbakır'da bulunan 2'nci Ordu Komutanlığına vekâleten Mustafa Kemal Paşa'nın ataması yapılmıştır. 3 Ocak 1917'de Ahmet İzzet Paşa'nın geri dönüşü üzerine, Mustafa Kemal Paşa 2'nci Ordu Komutanlığı vekilliğinden ayrılarak kendi görevine dönmüştür. 14 veya 17 Şubat 1917'de Hicaz Kuvve-i Seferiye Komutanlığına ataması yapılmış, Şam ve Sina bölgesinde görevi gereği incelemelerde bulunmuştur. Vekaleten 2'nci Orduya tekrar ataması yapılan Mustafa Kemal Paşa'nın 5 Mart 1917'de asaleten ataması gerçekleşmiştir. Mustafa Kemal Paşa, 5 Temmuz 1917'de, Güney Cephesi'nde bulunan General Falkenhein'in komutasındaki Yıldırım Orduları Grubu Komutanlığına bağlı 7'nci Ordu Komutanlığına atanmıştır. Yıldırım Orduları Grubu Komutanı General Falkenhein'le anlaşmazlığa düşmesi sonucunda 1917 Ekim başında 7'nci Ordu Komutanlığından istifa etmiş, 9 Ekim 1917'de tekrar Diyarbakır'da bulunan 2'nci Ordu Komutanlığına ataması yapılmıştır. Fakat Mustafa Kemal Paşa, bu atamayı kabul etmemiş; bunun üzerine Harbiye Nezareti kendisini 2'nci Ordu Komutanı sıfatıyla izinli saymıştır. Halep'ten İstanbul'a gelen Mustafa Kemal Paşa 7 Kasım 1917'de Genel Karargâhta görevlendirilmiştir. Ayrıca bu görevi esnasında, Veliaht Vahdettin'in mahiyetinde 15 Aralık 1917 - 4 Ocak 1918 tarihleri arasında Almanya seyahatine katılmıştır.
7 Ağustos 1918'de General Falkenhein'in yerine Yıldırım Orduları Grubu Komutanlığına getirilmiş olan General Liman von Sanders'in emrindeki 7'nci Orduya, Mustafa Kemal Paşa'nın, tekrar komutan olarak ataması yapılmıştır. 19 Eylül 1918'de İngiliz birlikleri, büyük kuvvetlerle, Filistin Cephesi'nde genel taarruza başlamıştır. Bu taarruz neticesinde 8'inci Ordunun cephesinin yarılması üzerine 4 ve 7'nci Ordu birlikleri geri çekilmek mecburiyetinde kalmıştır. Mustafa Kemal Paşa komutasındaki 7'nci Ordu birlikleri askerî düzenini ve savaş kudretini bozmadan Halep'e çekilmiştir. 26 Ekim 1918'de, 7'nci Ordu üzerine tekrar taarruza geçen İngiliz kuvvetleri Halep'in kuzeyinde durdurulmuş ve düşmanın bu hattı geçmesi engellenmiştir. 30 Ekim 1918'de Mondros Mütarekesi'nin imzalanması üzerine, 31 Ekim'de 7'nci 0rdu Komutanlığı da üzerinde kalmak üzere Yıldırım Orduları Grubu Komutanlığına ataması yapılmış ve Katma'dan Adana'ya gelerek General Liman von Sanders'den komutanlık görevini devralmıştır. 7 Kasım'da Yıldırım Orduları Grubu Komutanlığının kaldırılması üzerine, Mustafa Kemal Paşa, yenilgi yüzü görmeyen bir komutan olarak 13 Kasım 1918'de İstanbul'a gelmiştir. İstanbul'a geldiğinde boğazdaki işgal donanmasını gören Mustafa Kemal Paşa, gözü yaşlı bir şekilde düşman gemilerini seyreden yaverine "Geldikleri gibi giderler." diyerek bağımsızlık aşkını dile getirmiştir