1912年，他被调到设在华盛顿的陆军司令部工作。不久，这位英俊潇洒、训练有素的年轻上尉，很快得到了参谋长伦纳德·伍德少将的赏识。翌年，伍德任命麦克阿瑟为参谋部的成员，后来更把他视为美国陆军的“智囊”。这项任命，使麦克阿瑟能有机会同大人物接触。他的工作主要是制定动员和战争计划，并准备送给国会审议，这大大地开阔了他的眼界。他以耿直坦率而闻名遐迩，他一向敢于直言不讳，如果他认为应该回答“不”，他就毫无顾忌地把它说出来。
此时，美国和墨西哥两国之间的关系急剧恶化起来。为了保护美国在墨西哥侨民的利益，伍德罗·威尔逊总统命令海军、海军陆战队和一个步兵旅进逼维拉克鲁斯，1914年4月21日，美国部队攻占了这个城市。与此同时，参谋长伍德开始组织一支更强大的陆军力量——野战部队，以备紧急之用。
1914年5月1日，伍德将军派遣麦克阿瑟作为他的耳目出现在维拉克鲁斯，侦察并报告任何可能“有用的”情况。麦克阿瑟一到那里，就大为吃惊地发现，那里缺少机械化运输工具，要是陆军开过来，只好完全依赖畜力运输。麦克阿瑟听说有几台铁路机车被藏在敌人防线后面，他就找来向导，悄悄地穿过敌人的防线，去查证这一传闻。在一次极其突然的遭遇战中，麦克阿瑟打死了7个敌人。他终于带回了宝贵的消息，那里的确藏着5台机车，其中3台完好，陆军可以使用。
因为这一功绩，伍德将军建议授予麦克阿瑟荣誉勋章，但却被陆军部否决了。麦克阿瑟风闻此事后，感到十分愤怒。于是他厚着脸皮写了一封信，向不同意授给他勋章的陆军部要员们提出质疑，并要求进行复议。授勋之事再一次被否决。
1914年7月28日，第一次世界大战爆发。日本站在同盟国一方；美国宣布严守中立。随着地面战斗的激烈进行，德国潜水艇在公海上横冲直撞，如入无人之境，对协约国（英、法、俄、意等国）构成了严重的威胁。开战一年后，随着英国客轮“卢西塔尼亚”号被德国潜艇击沉于爱尔兰海域，造成1200多人死亡（其中有100多个美国人）、美国舆论开始转向支持协约国。1915年12月7日，美国总统威尔逊宣布，美国有必要“进行备战”。在这种背景下，美国陆军部和海军部开始推行扩军计划。
这时，已经提升为少校的麦克阿瑟作为总参谋部的一个成员，协助扩建美国陆军。他给参谋长、陆军部长牛顿·贝克当助手，同他密切合作。
到了大战后期，美国为了在战后国际分赃中能占有一席之地，于1917年4月对德国宣战。如同大多数西点军校的毕业生一样，麦克阿瑟也热切希望能同部队一道开赴法国。他的机会很快就来到了。陆军部把26个州的国民警卫队合在一起，正式编成一个师，即彩虹第42师。之所以叫
“彩虹师”，意寓这个师是由来自全国各地的人组成的，就像是一条横跨长空的彩虹。参谋部的威廉·曼准将任该师师长，麦克阿瑟任参谋长。因为麦克阿瑟那时军阶还比较低，他惊慌地说自己还不够格，陆军部长却说：“你错了，现在你就是上校了，我马上签发委任状。”就这样，麦克阿瑟被破格提升为上校师参谋长。
由于师长威廉·曼年事较高，不久就要退休，因此他对麦克阿瑟放任不管，麦克阿瑟自然就成了该师支配一切的人物。经过两个半月的紧张的组建和训练后，2.7万人的彩虹师便登船开往法国，编入了约翰·潘兴率领的美国远征军。该师于1918年2月中旬开进洛林南部一个“平静的防区”吕内维尔的堑壕。
麦克阿瑟是远征军中勇敢无畏，特别引人注目的人物。他着装与众不同：头戴一顶软帽（他拒绝戴金属头盔或防毒面具），身着高领毛线衫，绑着裹腿，脖子上围着长围巾，手拎着马鞭。新闻界很快便生动地称他是“远征军中的花花公子”。当人们问他为什么要那样打扮时，他竟回答说：“只有你与众不同，才能使自己出名。”
2月26日夜晚，他自愿参加了法国人的突击队，在战斗中表现出异乎寻常的勇敢。战斗进行得非常激烈残酷，约有600名德国人被俘，其中一个德军上校是他亲手活捉的。麦克阿瑟因表现突出而获得第一枚勋章——十字军功章。后来，美国陆军也为这次行动授予他银星章。提起麦克阿瑟非同一般的勇敢，他的师长说道：“在没有懦夫的地方，他的勇敢精神还是显得那么突出。”有一次，在敌人炮击期间，他还若无其事地坐在指挥所里，大家都为他担心，他却幽默地说：“能打死我麦克阿瑟的炮弹，德国人还没有造出来呢！”
彩虹第42师在洛林地区前线坚守边4个月之久，在这4个月中，几乎一直不断地进行战斗。麦克阿瑟虽然是专职参谋长，但他不断深入前线，率领和激励部队勇敢作战，同他父亲在南北战争中所做的一模一样。他因作战英勇而获得服务优异十字勋章。他曾“轻微中毒”，因此而获得紫心勋章①。该师于6月21日终于撤离前线时，军团司令官——一位法国将军，表彰了麦克阿瑟对彩虹第42师参谋部的出色指导。此时，该师已成为英勇善战的部队，麦克阿瑟也成为法国尽人皆知的美军指挥官。
①是授予作战中负伤军人的一种勋章。
与此同时，麦克阿瑟的66岁老母亲正在国内为他的晋升而四处活动。她曾亲自给潘兴将军写了一封“推心置腹”的信，恳请他提拔她的儿子当将军。她在信中向潘兴追忆了他们昔日的友情，追忆她同陆军部长贝克的友情，并一一列举了她儿子在西点军校的优异成绩。她指出，4月间有三位比她儿子年轻的军官被提升为将军，其中包括他的同班同学休·约翰逊，此人“在1903班中远在我儿子之下”，他比道格拉斯小一岁。这封信是否打动了潘兴，那就不清楚了。不过麦克阿瑟还是于6月26日被提升为准将。据詹姆斯博士后来说，麦克阿瑟的母亲曾给潘兴写信表示谢意，说：“你决不会发现我儿子是不合格的。”
略事休整之后，彩虹师于7月4日又开回堑壕，配属给兰斯附近香巴尼前线的法国第4军。德国人把他们的精锐师都集中在这个地区，企图孤注一掷，最后夺取巴黎，赢得战争。激烈的战斗在7月15日打响了。彩虹师以令人畏惧的勇敢和顽强投入了战斗。麦克阿瑟准将——头戴软帽，手拎马鞭，身着卡其布军装，绑着裹腿——进攻时，总是第一个跳出堑壕，率领他的部下进行短兵相接的战斗。这次战役把不可一世的德国人打得落花流水，麦克阿瑟因作战英勇而获得第二枚和第三枚银星章。
协约国对德国人发起了全面进攻。第42师转而配属在蒂埃里堡的法国第6军，7月25日便投入了作战。战斗非常激烈，短兵相接，两军呈拉锯胶着状态。该师伤亡惨重，死伤接近半数。麦克阿瑟后来回忆说，他一连4昼夜没有睡觉。麦克阿瑟因为在这次作战行动中表现出大无畏精神而获得第四枚银星章。法国人授予他第二枚十字军功章，并推举他为仪仗军团的指挥官。
后来，该师撤到后方进行休整和重建。麦克阿瑟被免去师参谋长的职务，调去指挥该师第84步兵旅。9月10日，该师重返前线，加入了在圣米耶尔战线上的军团，第84旅——是主要的突击力量。该旅出色地完成了作战任务。在这次及随后的战斗中，麦克阿瑟因英勇无畏而获得第五枚和第六枚银星章。
9月末，协约国部队向默兹阿尔贡发起了大规模的进攻，这是战争中最后的一次大战役。第42师配属美国第5军，任务是攻占敌人的一个要塞——夏蒂隆山。10月11日夜间，由于德军施放毒气，麦克阿瑟严重中毒，几乎双目失明，但他拒绝去医院。夏蒂隆山战斗尽管异常激烈，该旅还是攻占了要塞。因为参加了这次战役，麦克阿瑟（三年来第二次）被推荐应获得荣誉勋章和晋升为少将。但由于大战临近结束，所有将级军官的晋升都暂停了，所以荣誉勋章没有得到，也没有得到晋升。代替荣誉勋章的是，麦克阿瑟获得第二枚服务优异十字勋章，因“中毒”而获得第二枚紫心勋章。
该师经过短暂的休整后，于11月4日重返前线，向色当进击。次日夜间，由于指挥部下达了一项含糊不清的行军命令，美国部队陷入十分危险的混乱中。美国的一个师与另两个师迎头相遇，混杂在一起。麦克阿瑟十分气恼，当他去前方查看情况时，另一个旅的巡逻队偶然发现了衣装特别的道格拉斯·麦克阿瑟准将。一个年轻的少尉以为他是德国人，便把他抓了起来，用枪逼着把他押回司令部。幸亏没有开枪。麦克阿瑟很快便被认出来，友邻部队向他道了歉。他返回部队后又投入了战斗——又获得一枚银星章，这已是他获得的第七枚。
11月11日凌晨5时，德国人在停战协议上签了字。至此，历时4年零3个月的第一次世界大战以协约国的胜利而宣告结束。彩虹师虽然伤亡1.4万多人，但为美国立下了赫赫战功。战后不久，麦克阿瑟被提升为该师师长。
1919年春天，麦克阿瑟以母亲患病为由申请回国，获得批准。他于4月25日乘船抵达纽约。
