Promu alors général de division début 1915, il reçoit le commandement du 33ème corps et tient le secteur d'Arras qu'il dégage le 9 mai après des combats acharnés. Le général Pétain est élevé au grade de Commandeur de la Légion d'Honneur, puis désigné au commandement de la 2ème armée en septembre 1915.

Il sauve la place de Verdun, attaquée le 21 février 1916, en organisant, la défense aérienne et terrestre, et en mettant en oeuvre une noria de relèves acheminées par la route de Bar-le-Duc à Verdun, baptisée "La Voie sacrée".

Le 15 mai 1917, il est nommé commandant en chef des armées françaises qu'il conduira jusqu'à la victoire. Il est notamment appelé à réprimer les mutineries qui avaient éclaté après l'attaque du Chemin des Dames en avril. Philippe Pétain réduit au minimum les exécutions prononcées par le Conseil de Guerre et rétablit l'ordre et la discipline, en restaurant la confiance des troupes par l'amélioration des conditions matérielles et morales du soldat, ainsi que par la suppression des offensives de grand style, en attendant "les Américains et les chars".

C'est sa fameuse stratégie expectante définie dans sa directive n°4 du 20 décembre 1917. Le 8 décembre 1918, Philippe Pétain reçoit le bâton de Maréchal de France.