Осенью 1915 г. серьезные изменения произошли на Балканах. Болгария выступила на стороне Германии, тем самым обрушив сербский фронт. Угроза полного захвата центральными державами Балкан и высвобождения сил для операций на других фронтах заставили Ставку всерьез заняться разработкой планов по десантной операции против Болгарии. Для ее проведения у Одессы начали сосредотачиваться корпуса, которые вошли в состав находившейся здесь, в тылу, 7-й армии. Ее командующим и был назначен Щербачёв вместо престарелого генерала Никитина.

Боевые действия 7-й армии с 22 мая (4 июня) по 15 (28) июля 1916 г.

Будучи поставленным перед столь сложной задачей, Дмитрий Григорьевич начал с улучшения работы штаба, поставив во главе известного ему по академии генерала Н. Н. Головина. В итоге сложился весьма эффективный тандем, просуществовавший до конца войны и ставший залогом будущих побед. Злые языки говорили, будто всю оперативную работу выполнял исключительно начальник штаба, позволяя Щербачёву почивать на лаврах его стратегического таланта, однако важно подчеркнуть следующее. Во-первых, Дмитрий Григорьевич ярко проявил себя как командующий еще до этого, во-вторых, успех таких крупных соединений как армии всегда зависит именно от слаженной и эффективной работы всех начальствующих лиц, в первую очередь командующего и начальника штаба. А потому можно лишь порадоваться, что Щербачёву удалось удачно найти ближайшего помощника, организовать совместную работу, разделив с ним лавры будущих побед.

Приступив к разработке планов десантной операции, Щербачёв убедился в ее полной бесперспективности. Одновременно против нее высказывались многие в штабе Черноморского флота и в самой Ставке. Начальник штаба Верховного главнокомандующего генерал М. В. Алексеев также стал склоняться в пользу отказа от этого проекта, сулившего лишь очередные горестные поражения. Отметим, что в отличие от прежнего командования Щербачёв нашел в себе мужество напрямую изложить свои взгляды непосредственному начальству, сначала Алексееву, а затем и Николаю II (который с подачи наших союзников изначально и выдвинул идею десанта).

Интересно и то, что тогда же Щербачёв был награжден свитским званием генерал-адъютанта, что возвращало его в Свиту.

После отказа от десантной операции в Ставке решили перекинуть сформированную 7-ю армию на Юго-Западный фронт и организовать наступление для того, чтобы оттянуть часть сил противника с сербского фронта. Корпуса Щербачёва вместе с 9-й армией в середине декабря повели наступление у р. Стрыпа, которое окончилось провалом. Свою роль сыграли недостаток снарядов (отсюда и слабость артиллерии), тяжелейшие погодные условия, слабость разведки, а также недостаточность сил, выделенных для нанесения основного удара.

В 1916 г. русское командование планировало провести общее наступление на Восточном фронте. Изначально основной удар должен был произвести Западный фронт, в то время как Юго-Западному (во главе с Брусиловым) ставилась второстепенная задача. Общие контуры операции были определены еще в середине апреля. Идея наступления заключалась в массированном применении артиллерии и нанесении сильных ударов на участке каждой армии (тем самым противник вводился в заблуждение относительно истинных намерений русских). Войска Щербачёва должны были наступать в районе р. Стрыпа.

Артиллерийская подготовка началась 22 мая (4 июня), а через два дня войска перешли в наступление. В ходе двухдневных боев была прорвана оборона противника, захвачены пленными 243 офицера, 8711 солдат, а сами австрийцы были отброшены за Стрыпу. К 2 июня армия продвинулась на 50 км. Только части двух корпусов захватили 414 офицеров, 17 тыс. солдат, а также 29 орудий. В донесениях противник писал: «Прорыв на нижней Стрыпе стал эпидемическим. Если противник прорвался на узком участке фронта, то части примыкавших участков откатывались назад, при этом противник не производил серьезного давления на эти участки; они отходили только потому, что теряли связь с соседями. Так же отдельные высшие командиры принимали преждевременные решения об отступлении, указывая при этом, что удерживать позиции при помощи потрясенных войск невозможно».

Добиться больших успехов и развить дальнейшее наступление, в т. ч. ввиду допущенных просчетов, Щербачёву не удалось (впрочем, как и другим командующим). Армия перешла к обороне на занятых рубежах, в конце июня отразив контрнаступление противника и взяв пленных. Еще одно наступление было предпринято в конце июля. Тогда 7-я армия вновь нанесла поражение противнику, отбросила его за р. Золотая Липа и овладела Збаражем, взяв в плен более 8000 человек. Однако развить успех было уже невозможно: все силы Брусилов тратил на тщетные попытки овладеть Ковелем.

Очередное наступление Юго-Западного фронта началось 18 августа, и здесь снова Щербачёв добился значительных успехов. Он прорвал оборону австрийцев, отбросил их к р. Гнилая Липа (разгромив два корпуса), а сам вышел к Галичу. Лишь подоспевшие германцы сумели остановить 7-ю армию. Так была одержана победа «на двух липах» (имеются в виду реки Золотая и Гнилая Липы), которая заставила германцев задействовать свои резервы, предназначавшиеся для разгрома Румынии.

Серьезные бои в сентябре в направлении на Львов не увенчались желаемыми победами, хотя и принесли нашей армии более 2000 пленных.

Возможно, сейчас бы мы помнили Дмитрия Григорьевича как одного из лучших командующих той войны, однако Февральская революция нанесла удар не только по политической системе страны, но и по армии, которая стала разваливаться и выходить из подчинения. В апреле 1917 г. Щербачёв был назначен помощником августейшего командующего армиями Румынского фронта, сосредоточив в своих руках фактически все управление.

Весной 1917 г. он разработал план наступления Румынского фронта, который должен был стать частью общего наступления союзников. Главный удар наносился на реке Серет: крупная группа войск сосредотачивалась на узком 15-километровом фронте. Несмотря на рискованность и противодействие со стороны некоторых румынских политиков, план Щербачёва был утвержден. Наступление началось 11 июля и уже грозило увенчаться успехом, когда на следующий день прибыла телеграмма от военного министра Керенского об остановке ввиду отступления армий Юго-Западного фронта. Щербачёв начал перегруппировку к северу. В это время разгромить его армии решили германцы, а именно прославленный фельдмаршал Маккензен. В районе Мэрэшешти завязалось тяжелейшее сражение, в котором удалось остановить противника.

Находясь в Румынии, Щербачёв сохранял определенную автономию от тех политических процессов, которые происходили в России. В начале сентября он вызвал к себе генерала П. Н. Врангеля, опасаясь, что его могут арестовать по делу Корнилова. Как вспоминал Петр Николаевич: «Я не видел генерала Щербачёва с самого начала войны и нашел его значительно постаревшим и, видимо, сильно подавленным. Работа штаба лежала почти исключительно на начальнике штаба генерале Головине, умном и весьма талантливом офицере».

После Октябрьской революции Щербачёв, выступавший за войну до победного конца и вхождение России в число держав-победителей, фактически отказался подчиняться новой власти. От развала фронт был спасен в первую очередь наличием боеспособных румынских войск, а также энергичностью самого Дмитрия Григорьевича. Так, ему удалось добиться того, чтобы фронтовой комитет отказался признавать большевистскую власть. В конце декабря 1917 г. во время встречи с большевистским представителем некто Коренев пытался организовать покушение на Щербачёва, однако благодаря расторопности свиты оно провалилось.