Вместе со старшими дочерями сразу после начала войны императрица поступила на курсы сестер милосердия, после успешного их окончания в октябре 1914 года начала работать в лазарете в Царском Селе обычной сестрой. Сначала медицинский персонал госпиталя с осторожностью относился к желанию Государыни работать сестрой милосердия, но со временем сестры и врачи убедились, что она ни в чем не дает себе поблажек. Александра Федоровна наравне со всеми занималась перевязками, ассистировала при операциях и даже ампутациях, ухаживала за ранеными, а когда приходили санитарные поезда с фронта, участвовала в санобработке прибывших. Главный врач Царскосельского дворцового госпиталя, блестящий хирург княжна В.И. Гедройц писала, что сначала скептически отнеслась к желанию императрицы и двух ее старших дочерей работать в лазарете, но потом, часто находясь рядом с ними, вынуждена была признать, что они оказались сестрами милосердия «в лучшем значении этого слова».
Мало кто догадывался, что Александра Федоровна в это время переживала и глубокую личную трагедию. Она необыкновенно была привязана к своим сестрам и брату. С любимым братом великим герцогом Гессенским и Прирейнским Эрнстом Людвигом она состояла в постоянной переписке, чрезвычайно доверительной. Они всегда оставались близкими друзьями, доверяя друг другу личные тайны. И вот теперь ее брат, как и вся Германия, послал войска своего герцогства против России. А муж ее старшей любимой сестры Ирены, принц Генрих Прусский, теперь командовал германскими военно-морскими силами на Балтике. С болью Государыня прервала все отношения с родными. Но не могла поступить иначе, говорила: «Я – русская. Я – православная». Императрица в это время говорила своей фрейлине баронессе С.К. Буксгевден: «Двадцать лет я провела в России, половину моей жизни, ее лучшую, счастливую половину. Это страна моего мужа и сына. Именно в России я стала счастливой женой и матерью. И сердце мое навсегда отдано этой стране». Не раз Александра Федоровна, чтобы объяснить, как она относится к России, писала, что «чувствует себя матерью этой страны». И подтверждала это делом: не жалея себя, она во время войны изо всех сил старалась служить России, не только как императрица, но и как сестра милосердия. И не казалось ей это чем-то особенным, она считала такое поведение «материнским долгом».
На фронтах с самого начала войны шли тяжелые бои, войска несли большие потери. В 1914 году русские войска «держали удар», а на австрийском фронте им удавалось одерживать серьезные победы и захватить часть австрийской Галиции. Однако в 1915 году германские войска перешли в масштабное наступление, под угрозой оказались Польша, Белоруссия, Прибалтика, шли тяжелые бои в Карпатах. Жестокое противостояние привело к тому, что потери русской армии в результате жестоких боев составили почти 1 миллион человек, противник потерял 800 тысяч человек. Австро-венгерские войска перешли в наступление в направлении Львова. Столкнувшиеся со «снарядным голодом» русские войска отступали в общей сложности полтора месяца, оставив большую часть Царства Польского и отойдя за Брест-Литовск. Однако планам германского командования о дальнейшем наступлении и взятии Минска не суждено было сбыться: осенью они были остановлены русской армией.
В конце лета 1915 года в тяжелейшей для России ситуации на фронтах император принял решение возложить на себя обязанности Верховного главнокомандующего и лично возглавить воюющую армию. Большинство министров выступили категорически против этого, считая, что возглавить армию во время ее отступления и неудач, в тот момент, когда в обществе назревало недовольство, активизировались революционеры, становилось чрезвычайно опасным. Любые новые провалы на фронте могли вызвать критику действий царя и настроить народ против монархии как таковой. Но император был неумолим, преданность стране и личная порядочность давали ему уверенность в том, что его святая обязанность в тяжелый для родины момент возглавить сопротивление врагам, не думая о собственной выгоде.
С сентября 1915 года император много времени проводил в Ставке в Могилеве, руководя военными действиями, выезжая в находящиеся на фронте части, организовывая снабжение армии и т. д., отдавая этому все силы. По мнению современников, армия с воодушевлением приняла новость о том, что теперь император стал Верховным. Авторитет верховного вождя безусловно сыграл важную роль в том, что русскому командованию в кратчайшие сроки удалось остановить отступление русской армии и организовать оборону. Также к началу 1916 года удалось улучшить снабжение армии боеприпасами и продовольствием. Более того, император постоянно знакомился с новыми видами вооружений, пытаясь в кратчайшие сроки перевооружить армию, обеспечить ее новыми видами оружия. Именно по его распоряжению в армию начали поступать ручные газовые гранаты, огнеметы (причем их было девять разных видов), развернуты массовые поставки противогазов. 3 февраля под Могилевом по приказу Николая II и в его личном присутствии были проведены испытания всех известных форм защиты от химического оружия. Лучший противогаз, разработанный известным ученым Н.Д. Зеленским, по приказу царя вскоре был запущен в массовое производство. Государь лично наградил разработчиков. Царь начал формировать отдельное элитное оперативное объединение, сосредоточив в нем отборные гвардейские части, для решения особых тактических задач.
Особое значение император придавал поддержанию высокого боевого духа в войсках. Считая, что не только его присутствие важно для офицеров и солдат, но и полезно, чтобы наследник престола также находился в Ставке, Государь осенью 1915 года решил взять с собой в Могилев цесаревича. Сын сопровождал его в поездках по фронтам, госпиталям, на встречах с отличившимися в боях частями.
Заполненное важными делами расписание Верховного главнокомандующего практически не оставляло времени на общение с семьей, хотя Государь тосковал по любимой жене и дочерям, остающимся в Царском Селе. Государыня почти каждый день писала мужу длинные, нежные письма, в которых подробно рассказывала обо всем, что происходило в ее жизни и вокруг. В ответ император, не имея возможности писать подробно, отвечал телеграммами. Но как только выпадала свободная минута, сразу писал жене, основательно рассказывая о своей жизни. Письма Августейших супругов содержат столько же нежности и любви, как и те, которые они писали друг другу перед свадьбой, будучи женихом и невестой. За время войны император и императрица написали друг другу почти три сотни писем. Так же постоянно писали в Ставку отцу и брату очень скучавшие по ним великие княжны. Царская семья, оказавшись разлученной войной, по-прежнему была объединена любовью. Государыня писала любимому мужу на фронт 19 сентября 1914 года: «Мои усердные молитвы следуют за тобой днем и ночью. Пусть Господь хранит тебя, пусть он оберегает, руководит и ведет тебя, и приведет тебя здоровым и крепким домой». Государь писал любимой жене из Могилева 6 июня 1916 года: «Дорогая моя – люблю тебя и безумно тоскую по тебе. Я редко так тосковал по тебе, как теперь, несмотря на то, что со мною наш Солнечный Луч. Храни Господь, моя дорогая, тебя и девочек!» Царская семья старалась хотя бы семейные праздники, дни рождения проводить вместе. Пусть нечасто, но императрица с дочерями все же приезжали в Ставку, император позволял себе вместе с семьей провести немного времени. Это были редкие радости среди напряженной военной поры, за которыми снова следовало расставание и общение только посредством писем и телеграмм.
Седьмого декабря 1916 года в Петрограде был убит Григорий Распутин, император вместе с цесаревичем спешно покинул Ставку, чтобы поддержать горевавшую о потери друга Александру Федоровну и присутствовать на его похоронах. Неожиданная гибель человека, которого Царская семья уважала, считая молитвенником за них лично и всю Россию и своим личным другом, опечалила не только Государыню, но и детей, привыкших к его доброму к ним отношению, и Государя, считавшего Распутина боголюбивым старцем.
Назад в Могилев император вернулся в начале 1917 года, на этот раз оставив наследника в Царском Селе. Государыня, провожая мужа на фронт, умоляла его долго не задерживаться в Ставке, считая, что он больше нужен в столице, где начинались нешуточные манифестации и забастовки. Позже она написала мужу: «Ты гораздо нужнее здесь, чем там».
Письма Государыни Государю перед катастрофой полны тревоги и волнения за него: «Мой драгоценный! С тоской и глубокой тревогой я отпустила тебя одного без нашего милого, нежного Бэби. Какое ужасное время мы теперь переживаем! Еще тяжелее переносить его в разлуке – нельзя приласкать тебя, когда ты выглядишь таким усталым, измученным. Бог послал тебе воистину страшно тяжелый крест. Мне так страстно хотелось бы помочь тебе нести это бремя! Ты мужественен и терпелив – я всей душой чувствую и страдаю с тобой, гораздо больше, чем могу выразить словами».
В конце февраля в Петрограде начались погромы, на улицах появились манифестанты, которые призывали: «Долой царя!» Государственная дума, воспользовавшись ситуацией, отказалась подчиняться императору и образовала Временный комитет. Апогеем беспорядков стало присоединение к ним военных частей Петроградского гарнизона. Правительство ушло в отставку. Императрица оказалась в ужасной ситуации, 28 февраля она получила телеграмму от императора о том, что он возвращается в Петроград, чтобы усмирить беспорядки. После этого связь со Ставкой прервалась, и Государыня не знала, что происходит с ее любимым мужем. Из Петрограда императрице позвонил возглавивший думский комитет М.В. Родзянко и предложил вместе с детьми срочно куда-нибудь уехать. Она решительно отказалась.
В это время император пытался прорваться из Могилева в столицу, но его поезд остановили под Псковом. Там, оказавшись в кругу предателей, он под давлением подписал Акт об отречении от престола. Император отказывался от трона в пользу своего младшего брата великого князя Михаила Александровича. Решив, что он сам стал непопулярным в народе царем, считая, что нужно не держаться за власть, а спасать страну, Государь вовсе не потакал революционерам, а спасал монархию, передавая трон своему ничем незапятнанному в глазах народа брату. Император добровольно отдавал власть, чтобы остановить противостояние в обществе и возможные конфликты, чтобы русские не пролили и капли братской русской крови.