С началом Первой мировой войны Гучков выехал на Западный фронт в качестве представителя Красного Креста, занялся организацией госпиталей и обеспечением их медикаментами, оборудованием и персоналом. Он был одним из создателей и председателем Центрального военно-промышленного комитета, членом Особого совещания по обороне государства.
Развитие боевых действий убедило Гучкова в невозможности осуществления реформ пока Николай II остается на троне. Ему виделось отречение Императора в пользу Цесаревича Алексея Николаевича и создание Ответственного министерства. Однако, все попытки Гучкова привлечь высокопоставленных военных к планам «династического переворота» не встретили поддержки: большинство наотрез отказалось от участия.
В конце 1915 года Гучков перенес тяжелый сердечный приступ и провел на реабилитации около полугода в Крыму. Это событие помешало ему принять участие в думской кампании по формированию правительства народного доверия, которое было отвергнуто Императором. Исчесзновение Гучкова из общественной жизни, а также общеизвестная ненависть к нему Императрицы вызвали слухе о том, что он был отравлен последователями Распутина.
В августе 1916 года Гучков был обеспокоен положением в тылу и обращал внимание начальника Генерального штаба генерала М. В. Алексеева на возможность революционного подъема народных масс. Февральская революция 1917 года подтвердила его худшие опасения. 27 февраля 1917 года он был одним из тех, кто подписал обращение к Императору о даровании правительства народного доверия, подотчетного Думе, он настаивал на спасении монархии. Но было уже поздно.
1 марта 1917 года Гучков лично объезжал столичные казармы, пытаясь сохранить порядок и заручится поддержкой войск Государственной Думы. Вернувшись в Таврический дворец, он узнал, что Комитет членов Государственной Думы для водворения порядка в столице и для сношения с лицами и учреждениями назначил его с неохотного согласия Петросовета военным министром Временного правительства.
Вместе с В. В. Шульгиным Гучков привез в Петроград манифест об отречении Николая II.
В течение 2 месяцев своего пребывания на посту военного министра Гучков с самого начала сознавал слабость правительства, невозможность его противостоять набирающему силу Петросовету. На своем посту он произвел такие важные реформы, как отмена любой национальной, религиозной или классовой дискриминации в армии, восстановление автономии казачьих частей, введение восьмичасового рабочего дня на оружейных заводах. Гучков выступил против известного Приказа Петросовета № 1, который был адресован столичному гарнизону, всем солдатам гвардии, армии, артиллерии и матросам флота для немедленного исполнения, а рабочим Петрограда — для сведения. Приказом предписывалось немедленно создать выборные комитеты из представителей нижних чинов во всех воинских частях, подразделениях и службах, а также на кораблях. Главным в Приказе № 1 был третий пункт, согласно которому во всех политических выступлениях воинские части подчинялись теперь не офицерам, а своим выборным комитетам и Совету. В приказе предусматривалось также, что всё оружие передается в распоряжение и под контроль солдатских комитетов. Приказом вводилось равенство прав «нижних чинов» с остальными гражданами в политической, общегражданской и частной жизни, отменялось титулование офицеров.
В течение следующих двух месяцев власть Гучкова парализована Петросоветом, слишком могущественным, чтобы Временное правительство могло эффективно противостоять ему. Полностью изолированный среди враждебных министров, Гучков 1 мая 1917 года уходит в отставку.
А вот как оценивает его пребывание на посту военного министра генерал П. Г. Курлов: «Россия обязана Гучкову не только падением императорской власти, но и последующим разрушением ее, как великой мировой державы…, казалось бы, ярый критик деятельности военного министерства, попавший, наконец, в его руководители, Гучков должен был показать, что необходимо сделать на посту военного министра для славы Родины. Следов плодотворной работы его на этом поприще нет, но новоявленный „спаситель“ России сделал только одно: погубил армию и довел ее до полного развала… Могут возразить, что Гучков не долго занимал пост военного министра и передал главенство над русской армией помощнику присяжного поверенного Керенскому, что при Гучкове русские войска еще исполняли свои обязательства перед союзниками. Но даже гений зла не уничтожил бы славную и победоносную русскую армию в несколько часов, — Гучков, отняв у нее дисциплину, убил ее дух и превратил в полчища большевиков».
Вскоре после своей отставки Гучков возглавил Общество экономического возрождения России, состоящее из крупных промышленников. Он собрал значительные средства и направил их на поддержку генерала Л. Г. Корнилова в его планах покончить с Советами. После провала планов Корнилова Гучков был арестован, но вскоре освобожден.