Au commencement de la guerre, en , Karl von Kirchbach reçoit le commandement du Ier corps, basé à Cracovie, formant l'aile gauche de la 1re armée austro-hongroise (général Viktor von Dankl) sur le front russe. Le Ier corps avance en Pologne russe et prend part à la victoire de Krasnik (23-) mais les défaites des autres armées austro-hongroises obligent la 1re armée à se replier, le Ier corps couvrant sa retraite. Lors de la bataille de la Vistule (-), le Ier corps atteint les abords d'Ivangorod (aujourd'hui Dęblin) sans pouvoir s'y maintenir. Toujours à la tête du Ier corps, Kirchbach participe à l'offensive de Gorlice-Tarnów qui, à partir de , repousse l'armée russe dans le sud de la Pologne. En , il ouvre une tête de pont sur le Boug près de Sokal. L'armée austro-hongroise contribue à la Grande Retraite de l'armée russe en 1915. En août-, les Austro-Hongrois veulent poursuivre leur offensive mais sont repoussés par une forte contre-attaque russe à la bataille de Rivne (en russe, Rovno). Le front de la 1re armée se stabilise sur la Styr autour de Kovel.
Le corps Kirchbach est alors rappelé sur le front de l'Est où les forces austro-hongroises reculent devant l'offensive Broussilov. Il défend le col Yablonitsky (ou col des Tatars), dans les Carpates, empêchant les forces russes d'avancer vers la plaine hongroise. Le , Karl von Kirchbach succède au général Karl von Pflanzer-Baltin comme chef de la 7e armée austro-hongroise. Le , il échange son commandement avec celui du général Hermann Kövess et prend la tête de la 3e armée. Le , Karl von Kirchbach est nommé Generaloberst.
Le , il est nommé à la tête de la 4e armée austro-hongroise dont le chef, Karl Tersztyánszky von Nádas, a dû démissionner à la suite d'un conflit avec son collègue allemand Alexander von Linsingen. Kirchbach doit cependant prendre un congé jusqu'en pour cause de maladie. Le , il est élevé au rang de comte.
Au début de 1918, Kirchbach est chargé d'administrer les territoires russes occupés du gouvernement de Kherson (capitale : Odessa), d'y maintenir l'ordre et d'y prélever le maximum de produits agricoles. Au début du mois d', il est de nouveau mis en congé pour raisons de santé. Le , l'empereur Charles Ier le nomme inspecteur des troupes du front de l'Ouest.