Полковник Врангель принял участие в оборонительных сражениях Северо-западного фронта. В начале июня он в составе своей дивизии сражался на Козлово-Рудских позициях, на подступах к стратегической крепости Ковно. Он лично руководил действиями различных эскадронов, которым приходилось особенно тяжело ввиду низкого морального духа соседних пехотных частей. Лишь к середине июня Козлово-Рудские леса были окончательно покинуты, а конногвардейцы отошли к Неману.
Установившееся затишье лишь предшествовало буре. В июне на этом направлении стала формироваться новая, 5-я армия талантливого генерала П. А. Плеве, которая должна была не допустить выхода противника в наши тылы. Через некоторое время был создан конный корпус генерала Казнакова, в состав которого и вошла 1-я гвардейская кавалерийская дивизия. Боевые столкновения начались в июле, 5-я армия оборонялась и постепенно отступала, а конный корпус прикрывал ее левый фланг. Лишь к концу месяца войска оторвались от противника, закрепились, а кавалерия отошла за р. Свенту. Как потом писал немецкий генерал Позек: «Надо отметить, что стоявшая против нас русская конница полностью выполнила поставленную ей задачу — задержать наступление противника, выиграть время и прикрыть отход своих частей». Свою лепту внес, безусловно, и полковник Врангель.
В дальнейшем он вместе со своим полком участвовал в боях на р. Свейте, а в сентябре — в ликвидации Свенцянского прорыва, когда германская кавалерия углубилась в наши тылы. В октябре, когда ситуация на фронте уже затихла, Петр Николаевич получил назначение командиром 1-го Нерчинского полка Уссурийской конной бригады (позже развернутой в дивизию), которой командовал известный генерал А. М. Крымов («третья шашка русской армии»). Бригада уже несколько месяцев сражалась во взаимодействии с гвардейской кавалерией, а потому ее сильные и слабые стороны были известны Врангелю. При переводе ему, кстати, дали следующую характеристику: «Выдающейся храбрости. Разбирается в обстановке прекрасно и быстро, очень находчив в тяжелой обстановке». Под его началом в Нерчинском полку сражались такие известные в будущем лидеры Белого движения на востоке, как барон фон Унгерн и атаман Семенов.
В 1916 г. Уссурийская дивизия была переброшена на Юго-западный фронт, где приняла участие в Брусиловском прорыве. В середине августа нерчинцы выдержали тяжелый бой с 43-м германским полком, а в середине сентября в ходе боев в Карпатах захватили 118 пленных, а также большое количество оружия и боеприпасов. За это Нерчинский полк получил благодарность от императора, а его шефом был назначен цесаревич Алексей.
В конце 1916 г. Уссурийская дивизия была переброшена на Румынский фронт. Сам же Врангель в середине января 1917 г. был назначен командиром 1-й бригады Уссурийской конной дивизии, а чуть позже за боевые заслуги получил производство в генерал-майоры.
Отношение Врангеля к кардинальным политическим переменам, которые принесла Февральская революция, было резко отрицательным. Конечно, он осознавал те сложности, с которыми столкнулась Россия в годы Первой мировой. Видел он и постепенно нарастающее недовольство и разложение частей. Однако все это не могло быть для него поводом поддержки политического оппортунизма февралистов. Когда был зачитан манифест великого князя Михаила Александровича о неготовности принять престол, Петр Николаевич заявил: «Это конец, это анархия». Начавшийся развал армии только подтверждал верность этих слов.
Вскоре Врангель разошелся со своим начальником генералом Крымовым, который принял под свое командование весь 3-й конный корпус. То ли раскол произошел по политическим вопросам, то ли конфликт заключался во взгляде на роль армии в консолидации власти — в итоге Врангель отказался принимать командование Уссурийской конной дивизией и уехал в Петроград. Здесь он пытался создать собственную подпольную военную организацию, которая должна была осуществить военный переворот и назначить диктатором Л. Г. Корнилова. Однако тот в конце апреля оставил должность командующего Петроградским военным округом и уехал в действующую армию, поставив крест на реализации планов Врангеля.