Promu colonel (oct. 1914), il commanda le 5e régiment d'artillerie à la tête duquel il se distingua en Alsace, sur la Somme et à la bataille de la Marne.
Général de division en 1915, en avril de l’année suivante, il remplaça le général Pétain à la tête de la IIe armée à Verdun et contre-attaqua brillement sur les forts de Douaumont et de Vaux permettant aux troupes françaises de reprendre presque tout le terrain gagné par les Allemands au cours des six mois précédents.
En décembre, il fut choisi pour remplacer Joseph Joffre, promu maréchal, au commandement en chef des armées du Nord et du Nord-Est. A l’inverse de la stratégie ce dernier, jugé trop statique et usé par deux années successives de combat de tranchées sans aucune occasion de percée décisive, Nivelle va alors proposer, reprenant aussi un projet de Joffre, d’appliquer les méthodes qui lui avaient valu son succès à Verdun. Finie la guerre d’usure au profit des attaques de front menées en étroite coordination avec des bombardements d'artillerie intensifs. Séduit, Lloyd George, Premier ministre britannique, adhéra à cette stratégie et plaça les armées britanniques stationnées en France sous le commandement de Nivelle afin de renforcer la grande offensive que ce dernier préparait : percer le front allemand entre Soissons et Reims vers Laon sur au moins trente kilomètres, la ligne du Chemin des Dames.
Mais garder secrète la préparation d’une offensive d’une telle ampleur fut manifestement impossible.
Et le 16 avril 1917 au matin, rien ne se passa comme prévu sur le papier à commencer par les conditions météo. L’offensive finale, qui devait assurer la victoire aux alliés, vira à la tragédie, une vraie boucherie. Nivelle avait déjà marqué son peu de respect de la vie humaine. Au Chemin des Dames, son acharnement à considérer les hommes comme du bétail à canons entraîna des pertes si considérables (environ 200 000 hommes) qu’elle provoqua, les mois suivants, les fameuses mutineries de 1917 si sévèrement réprimées.
Relevé de son commandement le 15 mai et remplacé par Pétain, la carrière de Nivelle était brisée. Il fut transféré en Afrique du Nord en décembre. Pour autant, cette sanction ne remettait en cause ni sa compétence ni son honneur de soldat. Son image déplorable d’officier incompétent, opposée à celle de Pétain « le Père la Victoire », date notamment des années 1960 où de nombreux ouvrages mirent à l’honneur les mutineries de 1917.
Réhabilité la paix revenue, nommé au Conseil supérieur de la guerre, élevé à la dignité de Grand-croix dans l'Ordre de la Légion d'honneur et décoré de la Médaille militaire, il mourut tranquillement dans son lit.
Georges Robert Nivelle fut inhumé au cimetière de Passy (10ème division) où son épouse repose toujours. En 1931, il bénéficia de la loi de 1926 permettant aux officiers généraux ayant exercé de grands commandements pendant la Première Guerre mondiale de se faire inhumer dans le caveau des Gouverneurs. Nivelle quitta sa tombe de Passyle 12 mai pour Saint-Louis-des-Invalides.