战争开始后，德国将作战重心放在西线，东线只在东普鲁士地区部署了一个集团军——第8集团军，主要任务是对俄军进行积极防御。
按战前的法俄军事协定，一旦德国进攻法国，俄国应同时攻打东普鲁士和加里西亚，以牵制德军在西线的进攻。8月17日，俄国应法国的要求，首先向德第8集团军进攻，发起了东普鲁士战役。
俄国参战的是西北方面军(辖第1、第2两个集团军），共18个步兵师，8个半骑兵师，1104门火炮，54架飞机。德军第8集团军是15个步兵师，1个骑兵师，1044门火炮，56架飞机，2架飞艇。
俄军的战役计划是：第1集团军从北面迂回马祖里湖区实施进攻，切断德军与哥尼斯堡的联络；第2集团军从西面迂回马祖里湖区实施进攻，阻止德军向维斯瓦河的撤退。其战役的总意图是从两翼侧包围德军集团。
德军统帅部鉴于俄军在兵力上占有明显优势，俄军可能在两个方向上发动进攻，便预定在东普鲁士实施积极防御，用掩护部队交替对俄军的两个集团军作战，以主力将其一一击败。
8月17日，俄军第1集团军以3个步兵军的兵力进攻东普鲁士，拉开了战役的序幕。8月19日，德军被击退。8月20日，俄军第1集团军主力与德军第8集团军主力在古姆宾年展开大规模交战，德军失败，伤亡1万余人，并开始向西撤退。与此同时，俄军第2集团军也越过东普鲁士南部边界，向马祖里湖以西推进。
俄军指挥官对于最初的胜利产生了错觉，认为德军已被击败，战役已基本结束。因此第1集团军放弃了追击德军的机会，按兵不动，转入休整。第2集团军则改变了向北的攻击方向，改为向西偏移大约60公里的西北方向，这样，俄军的两个集团军隔着马祖里湖沼泽地带，出现了一条宽100余公里的缺口，彼此孤军作战。
俄军指挥上的失误被德军指挥部所掌握，德军立即决定改变原定向维斯瓦河对岸撤退的计划，以一部分兵力迷惑和阻击俄军的第1集团军，将主力集中在右翼，首先歼灭俄第2集团军，然后再歼灭第1集团军。新任第8集团军司令官兴登堡和参谋长鲁登道夫到职后，迅速完成了调整军队部署的工作，并于8月26日以主力发起了对马祖里湖以西的俄第2集团军翼侧的进攻。德国以其第17军和预备队第1军的优势兵力，首先击退了俄第2集团军的右翼第6军；次日，德军又以俄第1军军长的名义发布了一道撤退的假命令，致使在第2集团军右翼作战的第1军撤退。俄第2集团军的中央两个军(第13军和第15军）却一直向北推进，几乎未遇抵抗便到达了阿伦施泰因，这样，中央军群的东西两翼侧便处于暴露状态。俄第2集团军司令官萨姆索诺夫意识到局势严重，下令退却，但为时已晚，俄军被团团围住。由于无法得到第1集团军的支援，俄第2集团军突围不成，萨姆索诺夫自杀，残部投降。德军仅以伤亡2万人的代价便歼灭了俄第2集团军的主力，毙伤、俘虏俄军12万余人。
8月31日，德军在歼灭俄军第2集团军后，主力迅速转向东北，对付俄军的第1集团军。9月初，德军从西线调来增援的两个军赶到。德军调整了部署，于9月7日集中力量向俄军第1集团军的左翼发动强攻，9月9日夜俄军开始撤退。9月13日，俄军退出东普鲁士，越过涅曼河，避免了被包围的命运。但已经损失了11万人，而德军只付出1万余人的代价。
东普鲁士战役是第一次世界大战期间东线的一次重大战役。德军以伤亡2万余人的代价，取得了歼灭俄军25万的巨大胜利，创造了以少胜多的奇迹。
但是，在战役过程中，德军曾被迫从西线抽调了2个军和1个骑兵师到东普鲁士战场，从而削弱了西线主要战略方向上的力量。因此，这一局部性的胜利是以马恩河失败的高昂代价换来的。
同时，东普鲁士战役并没有从根本上削弱庞大的俄军的实力。相反，由于德军被俄西北方面军牵制住，使得德军无法支援其盟国奥匈军队的作战，这就给俄西南方面军在同时进行的加里西亚战役中重创奥匈军队创造了条件。奥匈军队在德国整个战略计划中占有重要的地位，其军事力量的严重削弱，使德国统帅部原定以奥匈吸引俄军主力的计划已无法实现，德军的后方受到了俄军越来越严重的直接威胁。因此东普鲁士战役并没有使德奥军事集团在东线取得优势，相反战役之后东线却出现了严重的危机。德国最高统帅部不得不开始考虑作战由西线转移到东线的问题。
1914年底，德国统帅部就调整战争计划的必要性与可行性展开了激烈的争论。鉴于西线已经转入阵地战，对英法速决取胜的希望已经破灭。东线则尚有继续进行大规模机动作战的可能，而且来自东线俄国的威胁也日益增大。在这种情况下，德军统帅部将1915年的战略计划作了重大调整，决定在稳住西线的同时，将战争重心转移到东线，首先摧毁俄军，结束东线战争，再回过头来集中兵力对付英法。
俄国方面也做好了在东线发动大规模战役的准备。英、法两国的1915年战争计划决定在西线实施战略防御，以增加军事经济潜力，为此，西线预定仅在阿图瓦和香槟进行一些局部的进攻，东线则应由俄国发动进攻，使德军无力在西线发动强大攻势。俄国同意了英、法的建议，承担起吸引德军主力的义务。
双方的战略计划是：德国决定从南北两个方向同时对俄军发起进攻。其中北翼由德军从东普鲁士向布列斯特方向进攻，南翼由德奥联军向利沃夫方向进攻，最后两面合拢，将俄军主力围歼于"波兰口袋"中。俄国则决定仍然在两个战略方向上实施进攻，即由西北方面军从东普鲁士进攻俄国，西南方面军从喀尔巴阡山进攻奥匈帝国。
1915年1月，奥匈第3、第4集团军在一支主要由德军组成的南方集团军的加强下首先在南翼发动进攻，喀尔巴阡战役爆发。2月，北线的德第8集团军和新组建的第10集团军也向俄军发动了强大攻势，是为奥古斯图夫战役。到1915年4月，在战线的北翼，德军虽然取得了战术上的胜利，但未达成预定战役目标，在格罗德诺一线受阻无法前进；在战线的南翼，奥匈军队损失惨重，匈牙利平原面临着俄军的严重威胁。在这种情况下，德军统帅部决定放弃两翼进攻，改而选择俄国战线的中央，即在维斯瓦河和喀尔巴阡山之间的戈尔利采地区作为具有决定性的突击方向实施主要突击，以围歼俄国西南方面军的第3集团军，阻止俄军通过喀尔巴阡山进入匈牙利平原。
为了保证战役的胜利，德军做了周密的准备。它从西线秘密调来了4个军的精锐部队组成第11集团军，连同奥匈的第4集团军，组成强大的突击集团，由马肯森统一指挥。奥匈的第3集团军和1个德军集群分别从南面和西北面保障这次战役。
对于即将来到的打击，俄军缺乏必要的准备。俄西南方面军战线长达600公里，兵力分散，在德军进攻的正面仅部署了5个步兵师，共6万人、4门重炮、100挺机枪。而德军在突破地段集中了10个步兵师、1个骑兵师，共12.6万人，457门轻炮、159门重炮、260挺机枪、96门迫击炮，占据了很大优势。
5月2日，德军发动了闪电式的进攻。德第11集团军的主力在左右两翼的配合下，经过13个小时的炮火准备之后，开始在戈尔利采地区实施突破。强大的炮火摧毁了俄军的防御工事，德军的进展十分顺利，俄军急忙调纵深机动部队增援，但因零星投入战斗，未能奏效。到5月4日，俄第3集团军已几乎全军覆没，德军突破成功。5月5日，德军将预备队投入战斗，突破口迅速扩大，俄军被迫全线溃退，放弃加里西亚。6月22日，德奥军队攻占利沃夫，戈尔利采战役以俄军的失败而结束。
戈尔利采是东线战场最大的一次战役，战役的失败使得俄国在波兰作战的各集团军的战略态势恶化。战役结束后，俄军被迫实施大规模战略退却，先后放弃了波兰、立陶宛、里加以西的土地和沃伦地区，战线大幅度东移。
但是，德军全歼俄军主力、结束东线战争的战略目的并未实现。在俄军的顽强抵抗下，东线从里加到德涅斯特河基本上拉成一条直线，德奥军队的进攻势头受到遏止。到1915年10月，东线也稳定下来，并开始转入了阵地战。
东西两线相继由机动战转入阵地战后，战争的初期阶段宣告结束。双方的战略进攻计划在这一阶段都宣告失败，战争陷入了僵局，第二阶段，即战略相持阶段开始了。
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