In der russichen Armee dienender Mannerheim leitete zuerst eine getrennte Gardekavalleriebrigade, zu der das Ulanenregiment der Leibgarde, das Husarenregiment von Grodno und eine Artilleriebatterie gehörten. Die Brigade deckte die Gruppierung der 4. Armee in der Gegend von Lublin und nahm dort an den Kämpfen von Krasniki, Gostseradov, Annopol, Opol, Hodel-Fluss und Zagrody-Nezluv teil. Sie beteiligte sich in den Reihen der Gardearmeekorps an der Abwehrung des Angriffes von Österreich gegen Lublin und verfolgte den Österreichern während des Grossangriffes von Galitsien sowie nahm dabei an den Kämpfen von Zhlokievka, Tarnavka, Janov und Pikule-Momonta teil. Bei der Stadt Opatov deckte die Brigade im September 1914 in der Abteilung des Generals Delsal die Neugruppierung der Armee an dem rechten Ufer des Visla Flusses und nahm dabei an den Kämpfen von Sloptov-Klimonotvi teil.

Mannerheim bewährte sich als offensiver Kommandeur. Als seine Brigade in den Reihen der 4. Armee im Jahr 1914 diente, wurde Mannerheim mit dem Georgsschwert für seine Dienste in den Abwehrkämpfen von Krasnik ausgezeichnet. Etwas später wurde ihm das Georgskreuz erteilt.

Im Oktober und November 1914 nahm Mannerheims Brigade in den Reihen des Gardekorps in der 9. Armee an den Kämpfen von Ivangorod, Tsharnyjlas-Zvolja, Politshna, Zvolen, Kutshki, Gezin, Leshtshinyn, Komork, Piotrkovits, Pintshov, Hraberzh, Pomovits, Vavrzhentshits und Krakov teil.

Danach kommandierte Mannerheim (ab 18.2. a.St. 1915) die 12. Kavalleriedivision. Dazu gehörten das Husarenregiment von Ahtyr, das Ulanenregiment von Belgorod, das Dragonerregiment von Starodubov, das Kosakenregiment von Orenburg, Batterien von Don und Bergbatterien von Turkestan. Er zeichnete sich in den Kämpfen von Opolje im August und September 1915 aus, und diente mehrmals als stellvertretender Befehlshaber des II Kavalleriekorps im Jahr 1915. Im Abwehr war die Division in der Stellung bei Fundul-Moldav vom Mai bis Juli 1917. Das Mitansehen der Zerstörung und des Todes veränderte Mannerheim. Er entwickelte sich von einem rücksichtlosen Kavallerieoffizier zu einem Operationsführer, der seine Männer zu schonen wusste.

Vom 11.12. 1916 bis 7.1.1917 kommandierte Mannerheim an der Front von Rumänien auf den Karpathen die grosse russisch-rumänischen militärische Einheit, die Wrancza-Gruppe. Dazu gehörten am Anfang die 12. Kavelleridivision und eine rumänische Infanteriebrigade sowie später zwei russiche Kavalleriedivisionen, zwei und eine halbe Division rumänischer Infanterie und vier rumänische Kavallerieregimente. Die Gruppe verteidigte auf den Karpathen von Transsylvanien eine Front von 55 Wersten und nahm an sechs Kämpfen teil.

Mannerheim wurde am 12.6.1917 (a.St) zum Befehlshaber des VI Kavalleriearmeekorps genannt und nahm in dessen Reihen an den Kämpfen an der rumänischen Front vom 12.7. bis 22.8.1917 (a.St.) teil. Er gab seine Stellung als Befehlshaber dieses Armeekorps am 8.9.1917 (a.St) aus gesundheitlichen Gründen auf. Er wurde am 20.9.1917 als "für die jetzigen Verhältnisse ungeeignet" in die Reserve des Militärkreises von Odessa versetzt.