С началом Первой мировой войны Дитерихс был направлен в Штаб Юго-Западного фронта на должность начальника его Общего отделения. Но уже 3 сентября 1914 года начальник Штаба, генерал М. В. Алексеев, направляет в Ставку следующую телеграмму: «Начальство 3-й Армии усердно ходатайствует... командировать на должность Генерал-квартирмейстера полковника Дитерихса. Прошу убедительно исполнить это во имя пользы службы, более подготовленного офицера найти нельзя, работа предстоит серьёзная». Это назначение состоялось, и Михаил Константинович стал генерал-квартирмейстером Штаба III-й армии. А уже 17 ноября 1914 года выходит следующий приказ Главнокомандующего армиями Юго-Западного фронта генерала Н. И. Иванова:
Поэтому неудивительно, что после того как генерал Алексеев, возглавивший Северо-Западный фронт, забрал с собою своего ближайшего помощника, генерал-квартирмейстера генерала М. С. Пустовойтенко, новым исполняющим должность генерал- квартирмейстера Штаба Юго-Западного фронта 19 марта 1915 года стал именно полковник Дитерихс. 28 мая того же года он был произведён в генерал-майоры и утверждён в занимаемой должности, а 8 октября «за отлично-усердную службу и труды, понесённые во время военных действий», награждён орденом Святого Станислава 1-й степени. Дитерихс всегда аттестовался своими начальниками как отличный штабной работник и офицер исключительных способностей.
8 сентября 1915 года в Штаб фронта был переведён Генерального Штаба полковник Н. Н. Духонин, вскоре ставший помощником генерал-квартирмейстера. Дитерихс и Духонин проработали вместе более полугода, за время их плодотворной совместной службы Духонин был произведён в генералы. В это же время в Штабе фронта под началом Михаила Константиновича служили и другие будущие герои Белого движения, будущие сослуживцы и товарищи Дитерихса по борьбе на Востоке России: подполковник К. В. Сахаров и капитан В. О. Каппель.
Весной 1916 года Дитерихс непосредственно участвовал в детальной разработке планов летнего наступления Юго-Западного фронта, ставшего известным под наименованием «Брусиловского прорыва». Но принять участие в самом наступлении Михаилу Константиновичу не довелось. 25 мая 1916 года в приказе по штабу Юго-Западного фронта было объявлено: «В связи с предстоящим назначением генерал-майора Дитерихса Начальником 2-ой Особой бригады, ко временному исполнению должности Генерал- квартирмейстера штаба Юго-Западного фронта допускается его помощник генерал-майор Духонин». Два дня спустя Дитерихс отбыл к своему новому месту службы, а через год судьба вновь свела Дитерихса и Духонина, увы, - при самых трагических обстоятельствах.
Новое назначение Дитерихса было очень ответственным, поскольку только что сформированная 2-я Особая бригада предназначалась для самостоятельных операций вдали от России, в составе союзных контингентов, - она формировалась специально для направления в Македонию, на Салоникский фронт. Поэтому от её начальника, кроме обычных качеств командира, требовались также и немалые дипломатические способности.
21 июня (4 июля по новому стилю) 1916 года первый эшелон бригады во главе с Дитерихсом отплыл из Архангельска во Францию. 3 (16) июля корабли прибыли в Брест, после чего бригаду перевезли по железной дороге через всю Францию в Марсель, а там 5 августа посадили на вспомогательный крейсер, который и доставил её в Салоники.