رغم أن إيطاليا كانت عضوًا في الحلف الثلاثي، لكنها لم تنضم إلى دول المركز (ألمانيا والإمبراطورية النمساوية المجرية) عندما بدأت الحرب في الثامن والعشرين من يوليو 1914. في الواقع، شنّ هذان البلدان الهجوم رغم أنه من المفترض أن يكون الحلف الثلاثي حلفًا دفاعياً فقط. بالإضافة إلى ذلك، أدرك الحلف الثلاثي أن كلاً من إيطاليا والإمبراطورية النمساوية المجرية كانتا مهتمتان بالبلقان، وطلب منهما التشاور فيما بينهما قبل تغيير الوضع القائم وتقديم تعويض عن أي تقدم في تلك المنطقة: لم تستشر الإمبراطورية النمساوية المجرية إيطاليا بل استشارت ألمانيا قبل إصدار الإنذار إلى صربيا، ورفضت أي تعويض قبل نهاية الحرب.
وبعد مرور عام تقريبًا على بدء الحرب، وبعد مفاوضات سرية موازية مع الجانبين (مع الحلفاء الذين تفاوضت معهم إيطاليا على الأرض إذا انتصرت، ومع دول المركز لكسب الأرض إذا كانت محايدة) دخلت إيطاليا الحرب إلى جانب قوات الحلفاء. وبدأت القتال ضد الإمبراطورية النمساوية المجرية على طول الحدود الشمالية، بما في ذلك مرتفعات جبال الألب الإيطالية بشتائها البارد جدًا وعلى طول نهر إيسونزو. هاجم الجيش الإيطالي مرارًا، ورغم انتصاره بأغلب المعارك، لكنه تكبد خسائر فادحة ولم يحرز تقدمًا يذكر لأن التضاريس الجبلية ساعدت المدافعين. اضطرت إيطاليا عام 1917 إلى التراجع بسبب هجوم مضاد ألماني نمساوي في معركة كابوريتو بعد أن تركت روسيا الحرب وسمحت لدول المركز بنقل التعزيزات من الجبهة الشرقية إلى الجبهة الإيطالية.
أوقفت إيطاليا هجوم دول المركز في معركة مونتي غرابا في نوفمبر 1917 ومعركة نهر بيافي في مايو 1918. وشاركت في معركة المارن الثانية وفي هجوم المئة يوم اللاحق في الجبهة الغربية. في 24 أكتوبر 1918، اخترق الإيطاليون الخط النمساوي في فيتوريو فينيتو، رغم أنهم كانوا أقل عددًا منهم، وتسببوا في انهيار إمبراطورية هابسبورغ التي استمرت لقرون. استعادت إيطاليا الأراضي التي فقدتها بعد القتال في كابوريتو في نوفمبر العام السابق وانتقلت إلى ترينتو وجنوب تيرول. انتهى القتال في 4 نوفمبر 1918. شاركت القوات المسلحة الإيطالية أيضًا في المسرح الأفريقي ومسرح البلقان ومسرح الشرق الأوسط، ثم شاركت في احتلال إسطنبول. وفي نهاية الحرب العالمية الأولى، حصلت إيطاليا على مقعد دائم في مجلس عصبة الأمم التنفيذي مع بريطانيا وفرنسا واليابان.