През 1914 г. Османската империя влиза като съюзник на Централните сили в Първата световна война и участва в европейските и близкоизточните военни театри.
На 18 март 1915 г. англо-френска ескадра се опитва да премине през пролива Дарданели, но понася тежки загуби. Затова командването на Антантата решава да извърши десант на полуостров Галиполи. На 25 април 1915 г. англо-френските войски стъпват на нос Арибурну, където са спрени от 19-а дивизия под ръководството на Мустафа Кемал. В най-отчаяния момент на сраженията, в утрото на 25 април 1915 г. в заповедта за деня към 57-и полк Кемал пише: „Аз не ви заповядвам да атакувате, аз ви заповядвам да умрете. Докато ние умираме, други войници и командири ще могат да дойдат и да застанат на нашите места.“ Целият личен състав на 57-и полк загива в хода на сражението. След този успех той е произведен в чин полковник. На 6 – 7 август 1915 г. английските войски отново извършват десант в залива Сувла и отново са отблъснати. По-късно последват победи при Киречтепе (17 август) и при Анафарталар (21 август).
След битката за Дарданелите, Мустафа Кемал командва войските в Одрин и Диарбекир. На 1 април 1916 г. е произведен в дивизионен генерал (генерал-лейтенант) и назначен за командващ на 2-ра армия. Под неговото командване, в началото на август 1916 г. армията успява за кратко да заеме Муш и Битлис, но скоро е отблъсната от руските сили.
Ататюрк с османски военни офицери по време на битката при Галиполи, Чанаккале, 1915 г.След тази победа правителството на Комитета за единение и прогрес в Константинопол предлага да се създаде нова армия в Хиджаз и да се назначи Мустафа Кемал за нейното командване, но той отказва предложението и тази армия така и не е създадена. Вместо това на 7 март 1917 г. Ататюрк е повишен от командването на XVI корпус до общото командване на Втора армия, въпреки че армиите на царя скоро са изтеглени, когато избухва Руската революция.
През юли 1917 г. той е назначен за командир на Седма армия на мястото на Февзи паша. На свой ред той е подчинен на германския генерал Ерих фон Фалкенхайн, командващ групата армии „Йълдъръм“ (след като британците начело с генерал Едмънд Алънби превземат Йерусалим, фон Фалкенхайн е заменен с Ото Лиман фон Сандерс). Мустафа Кемал не се разбира добре с генерал фон Фалкенхайн и заедно с Миралай Исмет Бей пише доклад до Великия везир Талаат паша по отношение на мрачната ситуация и липсата на адекватни ресурси на Палестинския фронт. Въпреки това, Талаат паша игнорира техните наблюдения и отказва предложението им да образува по-силна отбранителна линия на север, в Османска Сирия (в части на Бейрутския вилает, вилает Дамаск и вилает Алепо), с турци вместо германци. След отхвърлянето на доклада му, Мустафа Кемал подава оставка от Седма армия и се връща в Константинопол.
Там му е възложена задачата да придружи престолонаследника (и бъдещ султан) Мехмед Вахидедин по време на пътуването му с влак до Австро-Унгария и Германия. Докато е в Германия, Мустафа Кемал посещава германските линии на Западния фронт и заключава, че Централните сили скоро ще загубят войната. Той не се поколебава да изрази открито това мнение, лично на кайзер Вилхелм II и неговите високопоставени генерали. По време на обратното пътуване, той за кратко остава в Карлови Вари и Виена за лечение.
Когато през юли 1918 г. Мехмед VI става новият султан на Османската империя, той призовава Мустафа Кемал в Константинопол, а през август 1918 г. му възлага командването на Седма армия в Палестина. Мустафа Кемал пристига в Алепо на 26 август 1918 г., след което продължава на юг до централата си в Наблус. Седма армия държи централния сектор на фронтовите линии. На 19 септември, в началото на битката при Мегидо, Осма армия държи крайбрежния фланг, но се разпада и Лиман паша заповядва на Седма армия да се оттегли на север, за да попречи на британците да напреднат до река Йордан. Седма армия се оттегля към река Йордан, но е унищожена от британски въздушни бомбардировки по време на отстъплението си от Наблус на 21 септември 1918 година. Независимо от това, Ататюрк успява да формира отбранителна линия на север от Алепо. Според лорд Кинрос, Ататюрк е единственият турски генерал във войната, който никога не е претърпял поражение.
Войната завършва с Мудроското примирие, което е подписано на 30 октомври 1918 г., като на всички германски и австроунгарски войски в Османската империя е предоставено достатъчно време за оттегляне. На 31 октомври Ататюрк е назначен за командващ на групата армии „Йълдъръм“, замествайки Лиман фон Сандерс. Ататюрк организира раздаването на оръжие на цивилните в Антеп, в случай на отбранителен конфликт срещу нахлуващите съюзници.
Последната активна служба на Мустафа Кемал в Османската армия е организирането на връщането на османските войски, оставени на юг от отбранителната линия. В началото на ноември 1918 г. групата армии „Йълдъръм“ е официално разпусната и Мустафа Кемал се завръща в окупиран Константинопол, османската столица, на 13 ноември 1918 година. За определен период от време той работи в централата на военното министерство (Harbiye Nezareti) в Константинопол и продължава дейността си в този град до 16 май 1919 година. По установените линии на разделянето на Османската империя съюзниците (британски, италиански, френски и гръцки войски) окупират Анадола. Окупацията на Константинопол, последвана от окупирането на Измир (двата най-големи османски града по това време) предизвиква създаването на турското национално движение и последвалата Турска война за независимост.
На 18 март 1915 г. англо-френска ескадра се опитва да премине през пролива Дарданели, но понася тежки загуби. Затова командването на Антантата решава да извърши десант на полуостров Галиполи. На 25 април 1915 г. англо-френските войски стъпват на нос Арибурну, където са спрени от 19-а дивизия под ръководството на Мустафа Кемал. В най-отчаяния момент на сраженията, в утрото на 25 април 1915 г. в заповедта за деня към 57-и полк Кемал пише: „Аз не ви заповядвам да атакувате, аз ви заповядвам да умрете. Докато ние умираме, други войници и командири ще могат да дойдат и да застанат на нашите места.“ Целият личен състав на 57-и полк загива в хода на сражението. След този успех той е произведен в чин полковник. На 6 – 7 август 1915 г. английските войски отново извършват десант в залива Сувла и отново са отблъснати. По-късно последват победи при Киречтепе (17 август) и при Анафарталар (21 август).
След битката за Дарданелите, Мустафа Кемал командва войските в Одрин и Диарбекир. На 1 април 1916 г. е произведен в дивизионен генерал (генерал-лейтенант) и назначен за командващ на 2-ра армия. Под неговото командване, в началото на август 1916 г. армията успява за кратко да заеме Муш и Битлис, но скоро е отблъсната от руските сили.
Ататюрк с османски военни офицери по време на битката при Галиполи, Чанаккале, 1915 г.След тази победа правителството на Комитета за единение и прогрес в Константинопол предлага да се създаде нова армия в Хиджаз и да се назначи Мустафа Кемал за нейното командване, но той отказва предложението и тази армия така и не е създадена. Вместо това на 7 март 1917 г. Ататюрк е повишен от командването на XVI корпус до общото командване на Втора армия, въпреки че армиите на царя скоро са изтеглени, когато избухва Руската революция.
През юли 1917 г. той е назначен за командир на Седма армия на мястото на Февзи паша. На свой ред той е подчинен на германския генерал Ерих фон Фалкенхайн, командващ групата армии „Йълдъръм“ (след като британците начело с генерал Едмънд Алънби превземат Йерусалим, фон Фалкенхайн е заменен с Ото Лиман фон Сандерс). Мустафа Кемал не се разбира добре с генерал фон Фалкенхайн и заедно с Миралай Исмет Бей пише доклад до Великия везир Талаат паша по отношение на мрачната ситуация и липсата на адекватни ресурси на Палестинския фронт. Въпреки това, Талаат паша игнорира техните наблюдения и отказва предложението им да образува по-силна отбранителна линия на север, в Османска Сирия (в части на Бейрутския вилает, вилает Дамаск и вилает Алепо), с турци вместо германци. След отхвърлянето на доклада му, Мустафа Кемал подава оставка от Седма армия и се връща в Константинопол.
Там му е възложена задачата да придружи престолонаследника (и бъдещ султан) Мехмед Вахидедин по време на пътуването му с влак до Австро-Унгария и Германия. Докато е в Германия, Мустафа Кемал посещава германските линии на Западния фронт и заключава, че Централните сили скоро ще загубят войната. Той не се поколебава да изрази открито това мнение, лично на кайзер Вилхелм II и неговите високопоставени генерали. По време на обратното пътуване, той за кратко остава в Карлови Вари и Виена за лечение.
Когато през юли 1918 г. Мехмед VI става новият султан на Османската империя, той призовава Мустафа Кемал в Константинопол, а през август 1918 г. му възлага командването на Седма армия в Палестина. Мустафа Кемал пристига в Алепо на 26 август 1918 г., след което продължава на юг до централата си в Наблус. Седма армия държи централния сектор на фронтовите линии. На 19 септември, в началото на битката при Мегидо, Осма армия държи крайбрежния фланг, но се разпада и Лиман паша заповядва на Седма армия да се оттегли на север, за да попречи на британците да напреднат до река Йордан. Седма армия се оттегля към река Йордан, но е унищожена от британски въздушни бомбардировки по време на отстъплението си от Наблус на 21 септември 1918 година. Независимо от това, Ататюрк успява да формира отбранителна линия на север от Алепо. Според лорд Кинрос, Ататюрк е единственият турски генерал във войната, който никога не е претърпял поражение.
Войната завършва с Мудроското примирие, което е подписано на 30 октомври 1918 г., като на всички германски и австроунгарски войски в Османската империя е предоставено достатъчно време за оттегляне. На 31 октомври Ататюрк е назначен за командващ на групата армии „Йълдъръм“, замествайки Лиман фон Сандерс. Ататюрк организира раздаването на оръжие на цивилните в Антеп, в случай на отбранителен конфликт срещу нахлуващите съюзници.
Последната активна служба на Мустафа Кемал в Османската армия е организирането на връщането на османските войски, оставени на юг от отбранителната линия. В началото на ноември 1918 г. групата армии „Йълдъръм“ е официално разпусната и Мустафа Кемал се завръща в окупиран Константинопол, османската столица, на 13 ноември 1918 година. За определен период от време той работи в централата на военното министерство (Harbiye Nezareti) в Константинопол и продължава дейността си в този град до 16 май 1919 година. По установените линии на разделянето на Османската империя съюзниците (британски, италиански, френски и гръцки войски) окупират Анадола. Окупацията на Константинопол, последвана от окупирането на Измир (двата най-големи османски града по това време) предизвиква създаването на турското национално движение и последвалата Турска война за независимост.