一战爆发后，由于兴登堡和鲁登道夫的“默契”配合，使东线德军在对俄战争中取得了重大胜利。然而，西线德军却失去了初期有利的进攻态势，在马恩河战役中，霞飞指挥的英法联军大败德军，使德国“速决战略”成为泡影。
为抵消西线战事对国内的不利影响，德皇威廉二世命令首都各报大肆宣传东线胜利的消息。消息公布后，兴登堡一夜之间就成为这个狂欢国家里最受崇拜的人物，整个德国掀起了一股“兴登堡热”，以他的名字命名的商品被抢购一空，兴登堡大街、兴登堡广场、兴登堡公园、兴登堡纪念碑等这些以他的名字命名的公共场所层出不穷、热闹非凡。威廉二世为了表彰这位“爱将”在东线的战绩，特授予他元帅军衔。
1915年2月初，德国东方面军兵分两路，在马祖尔湖以东地区发起了“马祖尔湖冬季之战”。德军第8、第10集团军在司令兴登堡的指挥下，选择了俄军防守薄弱的地区进攻。当时正是隆冬季节，飞雪满天，寒冷异常，俄军失去警惕，以为在如此恶劣的天气，德军不会出动。2月8日，俄国第10集团军被德军包围，他们由于仓猝应战，被打得溃不成军。2月21日，德军在奥古斯托夫战役中全歼俄军中路部队。到了这年的9月中下旬，兴登堡抓住俄军统帅部变动和战线调整的有利时机，率部向俄国北线和西线的接合部发动了一次突击，一举占领了维尔诺。这一年，俄军被德军打得先后放弃了波兰、立陶宛、里加以西的土地和沃伦地区，俄军伤亡、被俘达170多万人，这是俄国在第一次世界大战中损失最为惨重的一次战役。
兴登堡在东线的节节胜利，更使他成了闻名全国的“英明统帅”和“护国之神”，德国的宣传机器把他捧上了天。1916年他被德皇任命为总参谋长，他的老搭档鲁登道夫任军需总监。从此两人不仅成为德国军队的主宰，而且一度操纵了整个国家的命运。兴登堡置德国的经济条件与饱经战乱的人民的苦痛于不顾，坚决主张把战争进行到底。为了使德国赢得战争的最后胜利，他一方面恢复无限制潜艇战，把140余艘潜艇全部投入，以封锁协约国的海上运输线；一方面加强了“军事工业委员会”的权力，将国内经济纳入战时轨道。
从1916年到1918年上半年，德军在兴登堡和鲁登道夫的指挥下，取得了一系列战术性胜利。但到后来，德军因后勤供给不足，再次失去进攻优势，与协约国军队处于胶着状态。7月，89万美军陆续到达欧洲战场，于8月配合英法联军组织反攻，联军接连在马恩河、亚眠和圣米耶尔诸战役中大败德军。在8月8日德军7个师被全歼于亚眠之后，德皇威廉二世专程赶往设在艾费斯尼斯的总参谋部，征询兴登堡对求和停战的意见。处于狂热状态的兴登堡不甘心就此言和，他骄横地说：“打下去，日耳曼人只有在战争的治疗中获得新生。”以此劝说德皇继续将战争打下去。
然而，形势的发展却不是兴登堡几句狂言所能改变的，久战的德国国民经济已到了崩溃的边缘，人民普遍厌战，国内革命风起云涌，部队士气一落千丈。9月份，协约国军队冲破“兴登堡”防线，直赴德法边境，兴登堡见势不妙，不得不同意停战谈和。此时的兴登堡已被协约国列为第二号战犯，但他却没有离开部队，而是代表德国参加谈判。协约国提出谈判的先决条件是德皇退位，德军总参谋部解散，兴登堡答应这一条件，同时要求协约国保留德国的一部分武装力量，以对付德国国内日渐兴起的布尔什维克运动，协约国应允了他的要求。
1918年11月11日，在德国东北部的贡比涅，交战双方签订了停战协定。在此前一天，德皇威廉二世和与兴登堡齐名的鲁登道夫逃往国外，兴登堡则在停战协定签订后不久再次解甲返回故乡汉诺威市闲居。