К началу 1916 Центральные державы, затратив огромные усилия в течение первых двух кампаний, значительно истощили свои ресурсы, но так и не смогли вывести из войны Францию или Россию. Антанта довела число своих дивизий до 365 против 286 дивизий германского блока.

В основу операций 1916 армиями Центральных держав был положен план генерала Э. Фаль-кенхайна, по которому основные усилия намечалось вновь направить против Франции. Главный удар предполагалось нанести в районе Вердена, имевшем важное оперативное значение. Прорыв на этом направлении создавал угрозу всему северному крылу армий союзников. Одновременно планировались активные действия на Итальянском театре силами австро-венгерских армий. На Восточно-Европейском театре было решено ограничиться стратегической обороной. Основы плана кампании 1916 стран Антанты были приняты на конференции в Шантийи (Франция) 6-9 декабря 1915. Было намечено провести наступления на Восточно-Европейском, Западно-Европейском и Итальянском театрах. Первой должна была начать наступательные действия русская армия, затем англо-французские и итальянские войска. Стратегический план союзников явился первой попыткой координации действий войск на различных фронтах.

Особо важное значение в кампании 1916 имели операции на Восточно-Европейском театре, где на фронте в 1200 км были развёрнуты 128 русских дивизий против 87 австро-германских. 5-17 (18-30) марта была проведена Нарочская операция, которая заставила германские войска временно ослабить атаки на Верден. Важную роль сыграло наступление русских на Юго-Западном фронте (главнокомандующий генерал А. А. Брусилов), начатое 22 мая (4 июня). Оборона австро-германских войск была прорвана на глубину 80-120 км.

Противник понёс большие потери (свыше 1 млн. чел. убитыми и ранеными, свыше 400 тыс. чел. пленными). Командование Центральных держав вынуждено было перебросить на Русский фронт II германские дивизий из Франции и 6 австро-венгерских дивизий из Италии. Русское наступление спасло итальянскую армию от разгрома, облегчило положение французов под Верденом, ускорило выступление Румынии на стороне Антанты. 14(27) августа Румыния объявила войну Австро-Венгрии, 15(28) августа - Германии, 17(30) августа - Турции и 19 августа (1 сентября) - Болгарии. Румынские вооружённые силы состояли из 4 армий (23 пехотные и 2 кавалерийские дивизии, 250 тыс. чел.). В помощь румынским войскам через Дунай (в Добруджу) был переброшен русский 47-й армейский корпус. Румынские войска при поддержке русских 20 августа (2 сентября) начали наступление в Трансильвании и позже в Добрудже, но успеха не добились. Австро-германское командование сосредоточило в Трансильвании армейскую группу генерала Э. Фалькенхайна (9-я германская армия и 1-я австро-венгерская армия, всего 26 пехотных и 7 кавалерийских дивизий), в Болгарии - Дунайскую германскую армию генерал-фельдмаршала А. Макензена (9 пехотных и 2 кавалерийские дивизии). 13(26) сентября обе группы под общим командованием Э. Фалькенхайна одновременно перешли в наступление. Румынская армия была разбита. 22 ноября (6 декабря) германские войска вступили в Бухарест, оставленный румынами без боя. Русское командование для оказания помощи Румынии перебросило 35 пехотных и 13 кавалерийских дивизий. Был образован новый русский Румынский фронт, войска которого к концу 1916 задержали дальнейшее продвижение австро-германских армий на рубеже Фокшаны, устье Дуная. Образование Румынского фронта увеличило общую протяжённость линии фронта на 500 км и отвлекло около 1/4 всех вооруженных сил России, что ухудшило стратегическое положение русской армии. Англо-французские войска после длительной подготовки 1 июля предприняли крупное наступление на р. Сомма, которое, однако, развивалось крайне медленно. 15 сентября англичане впервые применили танки. Союзники продолжали наступление до середины ноября, но, несмотря на огромные потери, продвинулись всего на 5-15 км. Германский позиционный фронт не был прорван.

На Ближневосточном театре войска русского Кавказского фронта успешно провели Эрзурумскую операцию 1916, Трапезундскую операцию 1916, Эрзинджанскую и Огнотскую операции. Были заняты гг. Эрзурум, Трапезунд, Эрзинджан. 1-й Кавказский кавалерийский корпус генерала Н. Н. Баратова повёл наступление на мосульском и багдадском направлениях в целях оказания помощи англичанам, осажденным в Кут-эль-Амаре. В феврале корпус занял Керманшах, а в мае вышел к турецко-иранской границе. В связи с капитуляцией 28 апреля 1916 гарнизона Кут-эль-Амары корпус прекратил дальнейшее наступление, заняв оборону восточнее Керманшаха. Военные действия на море характеризовались продолжением дальней блокады Германии британским флотом. На морских коммуникациях активно действовали германские подводные лодки. Совершенствовалась система минных заграждений. Важным событием явилось Ютландское сражение 1916 - единственное за всю войну крупное морское сражение между главными силами британского (адмирала Дж. Джеллико) и германского (адмирала Р. Шеер) флотов. В нём участвовало 250 надводных кораблей, в том числе 58 крупных (линейных кораблей и линейных крейсеров). Вследствие превосходства в силах британский флот, несмотря на большие, чем у немцев, потери, одержал победу, подорвав у германского командования веру в возможность добиться прорыва морской блокады. Русский Черноморский флот продолжал действия на морских сообщениях противника, с августа 1916 блокируя Босфор.