Не добившись решительного успеха на Восточном фронте в кампании 1915 г., германское командование решило в 1916 году нанести основной удар на западе и вывести из войны Францию. Оно запланировало мощными фланговыми ударами в основание Верденского выступа срезать его, окружив всю верденскую группировку противника, и создать тем самым огромную брешь в обороне союзников, через которую затем предполагалось нанести удар во фланг и тыл центральным французским армиям и разгромить весь фронт союзников.

21 февраля 1916 года германские войска начали наступательную операцию в районе крепости Верден, получившую название Битва при Вердене, или Верденская мясорубка. После упорных боев с огромными потерями с обеих сторон немцам удалось продвинуться на 6—8 километров вперед и взять некоторые из фортов крепости, но их наступление было остановлено. Эта битва продолжалась до 18 декабря 1916 года. Французы и англичане потеряли 750 тыс. человек, немцы — 450 тысяч.

По просьбе французского командования в марте 1916 года на русском Западном фронте была предпринята наступательная Нарочская операция. Двухнедельные попытки прорвать линию германской обороны завершились неудачей, однако на протяжении этого времени натиск немцев на Верден существенно ослаб.

В ходе Верденского сражения впервые применялось новое оружие со стороны Германии — огнемет. В небе над Верденом впервые в истории войн были отработаны принципы ведения боевых действий самолетов — на стороне войск Антанты сражалась американская эскадрилья «Лафайет». Немцы впервые начали применять самолет-истребитель, в котором пулеметы стреляли синхронно сквозь вращающийся пропеллер, не повреждая его.

В июне — июле 1916 года по просьбе итальянского командования на русском Западном фронте была предпринята наступательная Барановичская операция, имевшая целью прорыв германского фронта в Белоруссии и наступление на Брест-Литовск.

Параллельно 4 июня 1916 года на Юго-Западном фронте началась вспомогательная наступательная операция русской армии, получившая название Брусиловский прорыв по имени командующего фронтом А. А. Брусилова. Однако Барановичское сражение фактически закончилось с нулевым результатом, в то время как Юго-Западный фронт нанес тяжелое поражение германским и австро-венгерским войскам в Галиции и Буковине, общие потери которых составили более 1,5 млн. человек.

В июне же началась битва на Сомме, продолжавшаяся до ноября, в ходе которой впервые были применены танки. В битве на Сомме союзники потеряли около 625 тыс. человек, а немцы — 465 тыс. человек.

На Кавказском фронте в январе-феврале в Эрзурумском сражении русские войска наголову разгромили турецкую армию и овладели городом Эрзурум, в апреле в ходе Трабзонской операции был взят город Трапезунд, в июле — августе — города Эрзинджан и Муш. Успехи русской армии побудили Румынию выступить на стороне Антанты. 17 августа 1916 года был заключен договор между Румынией и четырьмя державами Антанты. Румыния брала обязательство объявить войну Австро-Венгрии. За это ей были обещаны Трансильвания, часть Буковины и Банат. 28 августа Румыния объявила Австро-Венгрии войну. Однако к концу года румынская армия была разбита, и большая часть территории страны была оккупирована.

Военная кампания 1916 года ознаменовалась важным событием. 31 мая — 1 июня произошло крупнейшее за всю войну Ютландское морское сражение.

Все предыдущие описанные события продемонстрировали перевес Антанты. К концу 1916 года обе стороны потеряли убитыми 6 млн. человек, около 10 млн. было ранено. В ноябре — декабре 1916 года Германия и ее союзники предложили мир, но Антанта отклонила предложение, указав, что мир невозможен «до тех пор, пока не обеспечено восстановление нарушенных прав и свобод, признание принципа национальностей и свободного существования малых государств».