L'Italia entra in guerra contro l’Austria-Ungheria il 24 maggio 1915. Le marine italiana e austriaca sono, per quantità di uomini e mezzi, allo stesso livello, tuttavia gli austriaci hanno il vantaggio di poter sfruttare, per le loro basi, le frastagliate coste dell'Adriatico orientale, ricche di isole e insenature, che offrono una protezione naturale per la flotta.

La Regia Marina é costretta ad adottare una strategia di sorveglianza dell' Adriatico e il blocco del suo accesso attraverso il Canale d'Otranto per impedire il rifornimento via mare dell'Austria-Ungheria. Il controllo delle principali piazze marittime nemiche (Pola, Cattaro ecc.) porta all'impiego principalmente del solo naviglio minore e dei sommergibili.
Tra le più importanti operazioni della Regia Marina vi é il salvataggio dell'Esercito serbo, che sconfitto, si ritira verso le coste balcaniche e viene raccolto dalle navi italiane che salvano circa 260.000 soldati e migliaia di tonnellate di materiale.

Notevole impulso ha, nel corso del conflitto, la componente aerea della Marina che comprende dirigibili, idrovolanti e aerei terrestri. Al termine del conflitto tale componente costituirà un complesso di uomini, basi e mezzi di tutto rispetto.

La Regia Marina, per attaccare le basi navali austriache nell'alto Adriatico, realizza nuovi mezzi:MAS, e mezzi d'assalto. Il MAS (Motoscafo Anti Sommergibile) é un unità leggera, veloce, equipaggiata con una mitragliera pesante, due siluri e bombe anti-sommergibile, che, per le sue ridotte dimensioni, può cogliere di sorpresa le navi avversarie e può effettuare azioni anche in acque ristrette. Celebri sono le imprese del comandante Luigi Rizzo che, il 9 dicembre 1917, con due Mas si addentra nel porto di Trieste e vi affonda la corazzata Wien. Il 10 febbraio 1918, ancora Rizzo con tre Mas, con a bordo il poeta Gabriele d'Annunzio e il comandante Costanzo Ciano, entra nel vallone di Buccari e vi affonda quattro piroscafi.

All'alba del 10 giugno 1918, il comandante Rizzo, mentre é all'agguato con i Mas 15 e 21, al largo dell'isola di Premuda, avvista una formazione austriaca diretta verso Otranto allo scopo di distruggere lo sbarramento. Con un attacco improvviso Rizzo si porta a breve distanza dalla corazzata Szent Istvan (Santo Stefano) e l'affonda. Ancora oggi la festa della Marina si celebra il 10 giugno di ogni anno per ricordare l'Impresa di Premuda. Il Mas 15 è conservato a Roma, al Vittoriano degli italiani.

La Marina realizza anche alcuni mezzi d'assalto, fra cui la "mignatta", una sorta di siluro guidato e dotato di due cariche esplosive. Proprio con uno di questi nuovi mezzi, il maggiore G.N. Raffaele Rossetti e il ten. medico Raffaele Paolucci, la notte sul primo novembre 1918, forzano il porto di Pola, raggiungono la corazzata Viribus Unitis e la minano, provocandone l'affondamento. I due operatori vengono catturati e saranno liberati all'arrivo degli italiani, pochi giorni dopo.

La Regia Marina da un importante contributo alla guerra sul Fronte terrestre. Dapprima prendono parte alle operazioni solo le artiglierie messe a terra o su pontoni, che combatte al fianco della 3a Armata del duca d'Aosta. Dopo la sconfitta di Caporetto reparti di marinai sono inviati a terra, per proteggere Venezia; successivamente sarà costituito un Reggimento marinai e il complesso della Marina sarà denominato Brigata Marina. Al termine della guerra il Reggimento, al quale Venezia aveva voluto dare la propria bandiera con il leone di San Marco, assume il nome di Reggimento Marina San Marco; ancora oggi i Fucilieri di Marina sono inquadrati in tale reggimento.