2 Kasım 1914'te Rus kuvvetlerinin Kars'a doğru taarruzuyla cephede savaşlar başladı. 6/9 Kasım 1914'te Ruslarla Köprüköy savaşı yapıldı. Ruslar yenilince biraz geri çekildiler. 22 Aralık 1914'te Başkomutan Vekili Enver Paşa'nın çetin kış şartlarını rağmen Sarıkamış civarında Ruslara karşı yaptığı harekatta 3. Ordu'ya mensup askerlerden çoğu donarak şehit oldu. 60.000 şehit verildi.

1915 yılı baharında Ermenilerle birleşerek güçlenen Rus birliklerinin taarruzu başarılı oldu. Ruslar, Van ve Malazgirt'i aldılar 22 Temmuzda başlayan karşı taarruzla Van ve Malazgirt 25/26 Temmuz 1915'te kurtarıldı.

1916 yılında Grandük Nikolas, Rus kuvvetlerinin başkomutanı olunca, Ruslar Kafkasya'daki kuvvetlerini artırarak taarruza geçtiler. 16 Şubat 1916'da Erzurum düştü. Trabzon'a da bir kolorduyla ilerlediler. 3. Ordu, Kemah-Refahiye-Tirebolu hattına çekildi. Mart 1916'da Bitlis, Muş, Van, Hakkari de Ruslar tarafından işgal edildi. Hükümet, Çanakkale Bölgesinde bulunan 2. Ordu'yu Kazım Karabekir komutanlığında doğu cephesine kaydırdı. 10 Mart 1916'da atama emrini alan Mustafa Kemal, Edirne'den Diyarbakır'a kaydırılan 16. Kolordu'nun komutanı olarak, 15 Mart 1916'da Doğu Cephesinde göreve başladı. 7/8 ağustos 1916'da Muş ve Bitlis Ruslardan kurtarıldı. Yıl sonuna kadar Ruslarla savaşa devam edildi.

1917 yılında Rusya'da iç karışıklıklar başladı. Ekim 1917'de Bolşevikler devrimle yönetime el koydu. Yıl boyunca Rus birlikleri işgal ettikleri topraklardan çekildiler. 18 Aralık 1917'de Ruslarla Erzincan Mütarekesi yapıldı. Mütarekeden sonra Rus kuvvetleri Doğu Anadolu'yu tamamen terk etti. 1917 kışı, hem Türkler hem de Ruslar için güç şartlarda geçti. Soğuk ve hastalıklar sebebiyle iki tarafta ağır kayıplar verdi. Daha sonra 3 Mart 1918'de Brest Litovsk anlaşamsı yapılarak Kars, Ardahan ve Batum'un Osmanlı İmparatorluğu'na bırakılması saptandı.

Rus birliklerinin geri çekilmesi üzerine, savaş sırasında kurulmuş bulunan Ermeni taburları Türk halkına saldırdı. 3. Ordu Ermeni çeteleriyle savaşmak zorunda kaldı. Ermeni kuvvetleri bozguna uğratılarak Nisan 1918 sonuna kadar, Kars, Ardahan, Batum kurtarıldı ve Gümrü'ye girildi.