Gwałtowny postęp technologiczny i przemysłowy następujący w drugiej połowie XIX i na początku XX wieku nie pozostał bez wpływu na uzbrojenie, z którego korzystała armia. Presja międzynarodowej rywalizacji była tak duża, że rządy wydawały duże pieniądze na opłacenie naukowców, których wiedza pozwoliłaby zdobyć przewagę militarną nad przeciwnikiem. A kiedy już wybuchła I wojna światowa, wyścig zbrojeń radykalnie zwiększył tempo. Jego owocem było pojawienie się dużej ilości nowoczesnych wynalazków wojskowych, niespotykanych podczas wcześniejszych konfliktów zbrojnych.
Pierwszym rodzajem broni, który znacząco rozpowszechnił się podczas I WŚ był karabin maszynowy. Skonstruowany przez Hirama Stevensa Maxima - brytyjskiego wynalazcę pochodzącego z USA - w 1885 roku, stał się podstawą uzbrojenia większości armii. Początkowo produkowano tylko ciężkie karabiny maszynowe, będące typowo defensywną bronią, takie jak: niemiecki Maxim MG 08, rosyjski Maxim wz. 1910 czy też brytyjski Vickers. Jednakże, gdy okazało się, że w wojnie pozycyjnej przełamanie obrony wroga wymaga skutecznej mobilnej broni wsparcia dla nacierającej piechoty, coraz powszechniejsze stały się niedoceniane do tej pory lekkie karabiny maszynowe oraz ręczne karabiny maszynowe np.: brytyjski Lewis, niemiecki MG 08/15 oraz francuski Fusil-Mitraileur Chauchat Mle15 (uznany powszechnie za najgorszy rkm w historii świata).
Kolejnym, bardzo istotnym dla historii wojskowości wynalazkiem czasów I wojny światowej był czołg. Pierwsze pojazdy tego typu zostały stworzone przez Brytyjczyków. Projekt był ściśle tajny i dla zmylenia wroga nadano mu nazwę 'tank', utrzymując, że fabryki produkują zbiorniki paliwa dla Rosji - ten sposób powstało angielskie słowo oznaczające czołg. Po nieuzbrojonym prototypie Little Willie powstał w roku 1916 pierwszy czołg z prawdziwego zdarzenia - Mark I. W następnym roku był udoskonalany - stworzono wersję II, III, IV i V. Każda z maszyn istniała w dwóch wersjach: męskiej - z dwoma armatami 57 mm i 3 - 4 cekaemami oraz żeńskiej - wyposażonej wyłącznie w ciężkie karabiny maszynowe (5 - 6 sztuk).

Użyte po raz pierwszy z bitwie nad Sommą 15. września 1916 okazały się wielkim zaskoczeniem dla Niemców. Co prawda często ulegały usterkom i awariom, więc nie prezentowały dużej wartości bojowej, ale wywarły niesamowity efekt psychologiczny na wrogach. Wraz z doskonaleniem maszyn, wciąż rosło ich znaczenie. W wojnie okopowej pozbawiona wsparcia piechota często nie była w stanie skutecznie szturmować pozycji przeciwnika. Tymczasem czołgi zabezpieczone przed ogniem karabinów maszynowych lub artylerii stanowiły doskonałą broń ofensywną. Widząc w nich cenny wynalazek, również Francja rozpoczęła produkcję własnych maszyn. Renault FT-17 - pierwszy czołg o nowoczesnej konstrukcji: posiadający boczne gąsienice i wieżyczkę strzelniczą okazał się wyjątkowo skuteczny. Podobnie jak brytyjskie i w przeciwieństwie do poprzednich francuskich projektów, FT-17 były produkowane w wersji z karabinem maszynowym lub z działem 37 mm. Załogę każdego stanowiły tylko dwie osoby: kierowca i strzelec. Znacznie lżejsze i zwrotniejsze od dwudziestoparotonowych kolosów francuskie maszyny odniosły wiele triumfów na polach bitew. Czołgów używali także Amerykanie, nowej broni nie docenili natomiast Niemcy. Stworzyli co prawda własne A7V, ale wyprodukowano ich zaledwie 20 sztuk. Podczas I wojny światowej rozwijało się także lotnictwo. Początkowo samoloty zostały wprowadzone do armii, aby podobnie jak balony służyć rozpoznaniu: informować o ruchach przeciwnika oraz przekazywać artylerii współrzędne celów. Lotnicy szkicowali lub fotografowali rozmieszczenie okopów, baterii i innych instalacji. Szybko pojawiły się również myśliwce - mające za zadanie niszczyć samoloty obserwacyjne wroga, nie pozwalając im na swobodne działanie a także ochraniać własne maszyny. W ten sposób rozpoczęła się walka powietrzna - każde państwo dążyło do utrzymania kontroli powietrznej nad istotnym terytorium. Stworzono także pierwsze oddziały bombowe, ale nie stały się one popularne. Bombardowania strategiczne przeprowadzały głównie armie Niemiec i Wielkiej Brytanii. Rozwój lotnictwa doprowadził również do pojawienia się nowego rodzaju artylerii - dział przeciwlotniczych. Bronią, która również nie znalazła wcześniej szerszego zastosowania a podczas I wojny światowej znacząco się rozpowszechniła była łódź podwodna. Teoretycznie koncepcja okrętów pływających pod wodą była znana już w XVIII wieku, jednakże nie znajdowały one dużego zastosowania praktycznego, gdyż w większości napędzane były... siłą mięśni załogi! Wprawdzie jednej tego typu jednostce - konfederackiemu CSS Hunley udało się zatopić okręt USA za pomocą tzw. miny wtykowej, ale nie była to technologia zasługująca na większą uwagę światowych mocarstw.

Tymczasem na początku XX w. do służby w marynarce weszły okręty o spalinowym oraz elektrycznym napędzie, które stawały się coraz popularniejsze. Szczególny nacisk na ich produkcję położyło dowództwo niemieckie, zwłaszcza po wprowadzeniu taktyki 'nieograniczonej wojny podwodnej' polegającej na atakowaniu i zatrapianiu możliwie największej liczby okrętów dostarczjących zaopatrzenie na wyspy brytyjskie. W celu zapobiegania atakom niemieckich U-Bootów państwa ententy wprowadził na uzbrojenie takie wynalazki jak hydrofony (pasywne sonary) czy bomby głębinowe, co wraz z masowym minowaniem kluczowych rejonów spowodowało, że łodzie podwodne przestał być tak wielkim zagrożeniem, jak poprzednio, ale ich doskonalenie nie ustało, nawet mimo zakończenia wojny. W drugiej połowie XIX wieku nastąpił gwałtowny rozwój technologiczny związany ze znacznymi zmianami w konstrukcji broni palnej. Rozpowszechniły się konstrukcje naboje scalone oraz nowoczesne zamki w miejsce dawnych kapiszonów. Zaczęła się także pojawiać broń powtarzalna, co znacząco zwiększyło szybkostrzelność a zarazem skuteczność i znaczenie piechoty na polu bitwy. Podczas pierwszej wojny światowej karabin wraz z bagnetem był podstawową bronią każdego żołnierza. Największym przełomem w technologii produkcji broni stało się wynalezienie bezdymnego prochu nitrocelulozowego przez francuskiego chemika - Paula Vieille w roku 1886. Był on skuteczniejszy od prochu czarnego a przy tym wydzielał mniej produktów stałych przy spalaniu, co umożliwiło użycie znacząco mniejszych naboi. Francuzi szybko wykorzystali wynalazek, dostosowując karabin piechoty z roku 1884 do nowego rodzaju amunicji i w tym samym roku powstał Lebel Mle1886 - podstawowa broń francuskiej armii.

Entuzjazm jej twórców szybko osłabł, gdyż oparcie się na konstrukcji starego Mle1884 okazało się być wyjątkowo kiepskim pomysłem. Magazynek rurowy był nieodpowiedni dla pocisków ostrołukowych, ponieważ uderzały one czubkami w spłonki znajdujących się dalej naboi, powodując eksplozję i zniszczenie broni. Ponieważ do 8 mm amunicji przystosowano lufę kalibru 11 mm, łuska miała silnie stożkowy kształt i utrudniała użycie magazynka pudełkowego. Z powodu tych istotnych wad w roku 1907 Francuzi skonstruowali karabin Berthier Mle1907 znacznie doskonalszy od poprzedniego i mający go całkowicie zastąpić. Mimo planów nie udało się jednak wycofać wszystkich Lebel Mle1886 i podczas wojny były obok Bethierów najpopularniejszą bronią we francuskiej armii. W Wielkiej Brytanii również próbowano dostosować stare karabiny - Lee-Metford do amunicji wykorzystującej proch bezdymny, ale jeszcze w fazach testów okazało się, że nowe naboje powodują bardzo szybkie zniszczenie gwintu lufy Metforda. Wobec tego fabryka broni w Enfield rozpoczęła produkcję nowej broni wykorzystującej zasady działania starego Lee-Metforda, ale zaopatrzonej w lufę o zmienionym profilu gwintu. W roku 1985 na uzbrojenie piechoty wszedł .303, Rifle, Magazine, Lee-Enfield (MLE) a rok później kawaleria otrzymała skróconą wersję - Lee-Enfield Cavalry Carbine Mk I (LEC). Doświadczenia wojny burskiej pokazały jednak, że długi MLE jest nieporęczny a LEC z powodu krótkiej lufy ma mały zasięg oraz celność. W roku 1903 pojawił się więc nowy Short, Magazine, Lee-Enfield Mk I (SMLE Mk I), który wraz z udoskonaloną wersją SMLE Mk III z roku 1907 stanowił podstawową broń brytyjskich żołnierzy. W rok po wynalezieniu bezdymnego prochu przez P. Vieille modernizacji karabinów postanowiła dokonać także Rosja. Przeprowadzono szereg prób z różnymi prototypami i za najlepszy uznano karabin Emila Naganta - belgijskiego konstruktora. Wstrzymano się jednak z przyjęciem go na uzbrojenie, gdyż wiązałoby się to z uiszczeniem wysokich opłat licencyjnych. Po 3 latach pojawił się natomiast zadziwiająco podobny do Naganta projekt autorstwa carskiego oficera - Siergieja Mosina. Co prawda był bardziej skłonny do zacinania się i innych usterek, ale za to posiadała prostszą konstrukcję usprawniającą produkcję. W kwietniu 1891 decyzją cara Aleksandra III został on wprowadzony na wyposażenie armii jako 'trzyliniowy karabin wzór 1891' (nazwa Mosin-Nagant jest nieoficjalna). Wraz z późniejszą 'dragońską' i 'kozacką' wersją był wykorzystywany podczas pierwszej wojny światowej.

Inne państwa także wprowadziły nowoczesne karabiny powtarzalne. W Austrii Ferdynand Mannlicher skonstruował szereg karabinów swojego projektu. Początkowo nie wzbudzały one zainteresowania armii, ale w końcu pojawił się M1895 (Infanterie Gewehr M.95 i kawaleryjski Karabiner M.95), który szybko stał się podstawową bronią austro-węgierskich wojsk. W Cesarstwie Niemieckim rozpoczęto produkcję znakomitych Mauserów wz. 98 (Gewehr 98) używanych aż do roku 1935. Również w Japonii zaprojektowano nową broń - Arisaka 38-Shiki, której ponad 500.000 sztuk sprzedano państwom ententy. Każdy karabin (oprócz krótkich karabinków kawalerii) wyposażony był w bagnet, mający służyć do walki wręcz. Jednakże mimo swojej skuteczności na XIX-wiecznych polach bitewnych, okazał się nieprzydatny podczas walki w okopach. Ostry grot zatknięty na długim karabinie był bardzo nieporęczny, wobec czego żołnierze korzystali z narzędzi saperskich, pał, maczug a nawet kastetów. Podczas gdy w wojnie okopowej tracił na znaczeniu karabin oraz bagnet, popularność zyskiwały granaty ręczne, którymi łatwo było ciskać nad przeszkodami oraz wprowadzone przez USA strzelby - dobre do strzelania na niewielką odległość. Konwencja Haska podpisana w roku 1907 surowo zabraniała wykorzystywania podczas konfliktów zbrojnych jakichkolwiek trujących substancji chemicznych jako środka bojowego. Jednakże zakaz ten był nagminnie łamany i obydwie strony konfliktu nie wahały się przed używaniem coraz niebezpieczniejszych bojowych środków trujących. Była to całkowita nowość, gdyż nigdy dotąd w historii nie doszło do użycia tak dużych ilości trujących substancji. Znaczny rozwój w tej dziedzinie, podobnie jak w kwestii materiałów wybuchowych przyczynił się do powstania obrazu 'wojny chemików'. Pierwsze użycie broni chemicznej, często mylnie przypisywane Niemcom, miało miejsce w sierpniu 1914 roku, kiedy to francuskie wojska obrzuciły wroga granatami ręcznymi zawierającymi łzawiący gaz - bromooctan etylu. W październiku tego samego roku broni chemicznej użyły także wojska Cesarstwa Niemiec, ostrzeliwując pod Neuve Chapelle Brytyjczyków za pomocą grantów odłamkowych przenoszących środek drażniący. Co ciekawe, żadne z państw nie uznało swoich działań za złamanie postanowień haskich, ponieważ do ataków nie użyto substancji duszących ani trujących a jedynie 'niegroźne środki drażniące i łzawiące. W styczniu 1915 r. doszło do pierwszego masowego użycia gazów bojowych. Wojska niemieckie podczas bitwy pod Bolimowem ostrzelały Rosjan pociskami artyleryjskimi 12-T zawierającymi bromków ksylilu i ksylenu. Przez trzy godziny wystrzelono ich ponad 18.000. W marcu utworzono już w niemieckiej armii regularne oddziały walki chemicznej (niem. Gaskampftruppe) na bazie 35. i 36. pułku pionierów. W tym samym roku miały miejsce pierwsze ataki gazami trującymi - w kwietniu Niemcy dokonali na froncie zachodnim tzw. 'ataku falowego' - po wkopaniu w ziemię ponad 5.700 cylindrów zawierających ok. 146.600 kg chloru ich zawartość została wypuszczona w powietrze i zniesiona przez wiatr prosto na pozycje wroga. Wykonano jeszcze kilka tego typu ataków, ale ze względu na nieprzewidywalność wiatru i czasochłonne przygotowanie nie były one popularne.

W tym samym roku Francuzi pod kierownictwem Victora Grignarda - wybitnego chemika i noblisty rozpoczęli eksperymenty z użyciem fosgenu. Był on znacznie skuteczniejszym środkiem niż chlor - bardziej toksyczny i trudniejszy do wykrycia ze względu na brak barwy i słabo wyczuwalny zapach. W grudniu 1915 r. Niemcy użyli fosgenu pod Nieltje w Belgii. W czerwcu 1916 miał natomiast miejsce pierwszy masowy atak z wykorzystaniem difosgenu - armia niemiecka pod Fleury wystrzeliła ok. 125.000 pocisków o łącznej pojemności ponad 100.000 litrów na pozycje Francuzów. Niewątpliwie najbardziej zabójczą i najstraszliwszą bronią chemiczną I wojny światowej był gaz musztardowy. Użyty został po raz pierwszy przez Niemców w lipcu 1917 pod Ypres, stąd też wzięła się jego zwyczajowa nazwa - iperyt. Miał postać oleistej, szybko ulatniającej się cieczy. Łatwo wsiąkał w glebę a ponadto będąc cięższym od powietrza w postaci gazowej, utrzymywał się często przez kilka dni na miejscu ataku. Ze względu na to nie mógł być wykorzystywany w charakterze wsparcia przy szturmie piechoty. Pociski wypełnione gazem wystrzeliwano z dział w kierunku oddalonych celów. Gaz musztardowy wywoływał straszliwe efekty - liczne poparzenia, pęcherze, trudno gojące się rany a także prowadził do paraliżu dróg oddechowych zakończonego zazwyczaj śmiercią. W celu chronienia żołnierzy przed atakami gazowymi wprowadzano liczne środki osobistej ochrony. Początkowo były one bardzo prowizoryczne - korzystano z bawełnianych maseczek nasączonych roztworami neutralizującymi działanie broni chemicznej a także zwykłych gogli lotniczych lub motocyklowych. Później pojawiały się projekty masek gazowych. Początkowo były to wojskowe hełmy z opuszczanymi na twarz impregnowanymi zasłonami, następnie wprowadzono filtry przy wlotach powietrza i liczne mniejsze udoskonalenia. Szczytem osiągnięcia w tej dziedzinie były gumowane maski z uszczelnianymi okularami oraz oddzielne, połączone z nimi rurami zewnętrzne filtry powietrza. Tylko przed iperytem nie dało się skutecznie zabezpieczyć, gdyż atakował on całe ciało a nie tylko twarz i drogi oddechowe. Broń chemiczna stała się jednym z bardziej charakterystycznych elementów I wojny światowej. Podczas jej trwania wyprodukowano ok. 150.000 ton gazów bojowych w tym najwięcej, bo aż 69.000 ton przypadło na produkcję niemiecką. Ta okrutna broń zebrała straszne żniwo - rannych w wyniku działania trujących środków chemicznych zostało ok. 1.240.000 ludzi a zabitych ok. 88.500. Znaczącą większość ofiar (aż 56.000 śmiertelnych) stanowili Rosjanie, którzy nie stosowali należytych środków ochronnych.