4 августа 1914 года армия Бюлова перешла бельгийскую границу и двинулась к крепости Льеж, охранявшей переправы через реку Маас. В конце августа армия Бюлова нанесла крупное поражение в приграничном бою у Шарлеруа 5-й французской армии под командованием французского генерала Ланрезака. Затем из состава 2-й армии были переброшены в армию фон Клука (1-я германская армия) два корпуса, что привело к ослаблению позиций Бюлова на правом фланге в ходе Марнского сражения. Перед ослабленным правым флангом 2-й армии сосредоточились части английского экспедиционного корпуса и 5-й французской армии.
В этих условиях и при отсутствии резервов Бюлов был вынужден отвести оставшиеся на правом фланге части северо-западнее к Монмираю. Между 1-й и 2-й немецкими армиями образовался разрыв в 15 километров. 9 сентября части союзников вклинились в этот разрыв, и на следующий день прибывший на фронт представитель ставки санкционировал отвод немецких армий с занимаемых позиций. Отвод армии Бюлова послужил причиной общего отступления, несмотря на тактический успех немецких частей на всей линии фронта. Армия Бюлова через несколько дней закрепилась юго-восточнее Реймса. Бюлову удалось отразить новое наступление союзных войск в ходе сражения на реке Эна, а затем его войска приняли участие в битве при Аррасе.
В январе 1915 года Карл Бюлов был произведен в звание генерал-фельдмаршала. Через три месяца он был отстранен от командования армией в связи с болезнью. После выздоровления он был переведен в резерв главного командования.
Карл Бюлов скончался в Берлине 31 августа 1921 года. За год до его кончины им были опубликованы мемуары «Мои записки о наступлении на Марне».
