1916年春，俄国调集3个方面军共200万人向德奥联军发动反攻，在激战一轮后，双方各损失百万兵力，但俄军兵力较多，因此逼退德奥联军，并乘胜攻进加里西亚东部地区。罗马尼亚亦于该年8月向同盟国宣战。德奥联军于是决定攻取罗马尼亚，以夺取石油和粮食补给。结果罗马尼亚首都布加勒斯特很快便失陷，德奥军队占领大部分罗马尼亚国土
1917年2月24日，美国驻英大使佩奇收到齐默曼电报，称如果墨西哥对美国宣战，德国将协助把美国西南部还给墨西哥，于是美国以此为借口，在该年4月6日向德国宣战。只向德国而不是其他同盟国宣战的一个主要原因，就是德国的海军潜艇无差别攻击，对美国军舰造成威胁,而且在得到陈绍提供的潜艇后,德国更是肆无忌惮,并且在陈绍想德国交付20潜艇后,又紧急向陈绍订购了30艘,这让陈绍不得不再次建造船厂,扩大产能,而且由于德国的潜艇规模比前世更多,美国的损失的商船比前世多了百分之三十.
1917年4月，法军于西线开展春季攻势，与德军在兰斯和苏瓦松之间进行会战，历时共一个月，但法军在伤亡10万人后却仍未有进展，引起了法国士兵的骚动。战事再度胶着，而法军因内部骚动，无力防御，只得由英军负责西线防御。在该年下半年，美国提供的装备到达欧洲，英军于是再在西线猛攻，但在损失100多万人后，仍无法改变战事的胶着状态。
俄国本身为农奴制的经济体系，经不起东线持续的战事，结果其国内经济崩溃，工厂倒闭，失业率骤增，军火补给极度困难，士兵极度厌战。1916年冬，俄国内部各种矛盾加剧，首都莫斯科的罢工人数更达至百万人以上，结果在1917年3月(俄历2月)二月革命爆发，沙皇尼古拉二世退位。但新组成的克伦斯基临时政府仍然继续战争，但又再被德奥联军击败。结果俄国工人及农民忍受不了，在1917年11月(俄历10月)，由布尔什维克党领袖列宁领导了一场武装起义，推翻了临时政府的资产阶级政权，建立了苏维埃政府和第一个社会主义国家，史称“十月革命”。列宁其后与德国签署《布列斯特－立陶夫斯克条约》，并宣布退出第一次世界大战。它拥有重要的历史意义，因为它是人类历史上第一次获胜的社会主义革命，世界上第一个社会主义国家诞生。它的胜利沉重打击了帝国主义的统治，推动了国际社会主义运动的发展，鼓舞了殖民地半殖民地人民的解放斗争，标志着世界现代史的开始。
虽然俄国退出战争，但德国的各盟国——奥斯曼土耳其帝国、保加利亚帝国和奥匈帝国却因持续作战，致使经济崩溃，国内各民族发生起义，结果无力再战，相继向协约国求和。
日本在第一次世界大战里投向协约国，向德国宣战，以获得德国在中国的山东的权益，并出兵占领青岛。
在要不要参加第一次世界大战对德国宣战这个问题上，北洋政府内部意见不一，斗争激烈。为了达到主战的目的，段祺瑞将其手下的十几个督军叫到北京，组成“督军团”，对黎元洪施加压力，但未获成功；后来段祺瑞又叫人写了对德宣战书要总统盖印，黎元洪为了平息风波，勉强在文件上盖了章。即使这样，段祺瑞仍不满足，在国会开会讨论时，又大肆干涉，终于触动了众怒。恰在这时，段祺瑞私自向日本借款一事被揭露。1917年5月21日，黎元洪瞅准时机在这时下令撤销了他的总理职务，段祺瑞愤然离京去津，并且指根据临时约法，总统无权撤销总理职务，不承认黎的免职令。因一方为总统府，一方为国务院，所以它们间的争斗被称为“府院之争”。之后黎元洪请督军团团长张勋于6月14日入京调解。张勋入京后，拥立宣统复辟。事件为段祺瑞所镇压，黎元洪于事后辞去总统职，总统改由冯国璋担任。府院之争告一段落。段祺瑞统治下的北洋政府，在英法的支持下，参加了协约国，对同盟国宣战。
1918年8月—9月，德军再损失15万人、大炮2000余门及机枪13000余挺。不断传来的军事失败的消息使德国国内的矛盾加剧。9月，兴登堡建议在德国议会提出要“结束战争”。但德军的最高统帅部却仍死心不息，意图用剩余的海军舰只与英国海军进行最后决战。结果德国水兵因不愿送死，在基尔港发生起义，并迅速蔓延到整个海军及全国。11月9日，德国首都柏林亦发生十一月革命，德皇威廉二世只得宣布退位，并逃至荷兰，德国社会民主党组成临时政府，宣布成立魏玛共和国。11月11日，《贡比涅森林停战协定》签订，德国投降。历时4年零3个月的第一次世界大战以协约国的胜利告终.
战后各国于巴黎召开和议，称为“巴黎和平会议”(简称巴黎和会)。会议的重大决定由美国总统伍德罗·威尔逊、英国首相劳合·乔治和法国总理克里孟梭主持。虽然美国总统伍德罗·威尔逊主张宽大对待德国，但法国却因为复仇心作祟，主张严惩德国。因此，诸国与德签订的议和条约——《凡尔赛和约》，因应法国的要求而加入了极其苛刻的条款，向德国强加了巨大的割地赔款及限制军备条款。但同时间，并未向德皇威廉二世、兴登堡元帅、鲁登道夫将军等战犯施以应有的惩处。结果为德国在20年后挑起规模更大的第二次世界大战埋下了祸根.
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