Il est muté en 1901 au 5e régiment d'infanterie (RI) à Paris où, en qualité de professeur-adjoint à l'École supérieure de guerre, il est chargé des cours de tactique appliquée à l'infanterie. Il s'y distingue par ses idées tactiques originales, rappelant l'effet meurtrier du feu et préconisant la défensive et la guerre de positions quand les théoriciens officiels prônent la guerre à outrance.
Nommé lieutenant-colonel en 1907, il est affecté à Quimper au 118e RI.
Promu colonel le 31 décembre 1910, il quitte alors l'École de guerre et prend le commandement du 33e régiment d'infanterie à Arras, où le sous-lieutenant Charles de Gaulle est affecté à sa sortie de Saint-Cyr et où se produira leur première rencontre, le 8 octobre 1912.
En juillet 1914, le colonel Philippe Pétain a 58 ans et s'apprête à prendre sa retraite. Lorsque éclate la Première Guerre mondiale, le 3 août 1914, il est à la tête de la 4e brigade d'infanterie et se distingue en Belgique, dans la province de Namur. Promu général de brigade le 27 août 1914, il reçoit le commandement de la 6e division qui atteint le canal de l'Aisne, après la victoire de la Marne. Le 14 septembre, il est général de division et le 22 octobre, il prend officiellement le commandement du 33e corps d'armée avec lequel il réalise des actions d'éclat, notamment dans les batailles de l'Artois en 1915, tout en se montrant soucieux d'épargner la vie de ses hommes.
Le 21 juin 1915, il reçoit le commandement de la IIe armée.
En février 1916, lorsque les Allemands déclenchent leur offensive sur Verdun, Pétain est désigné par Joffre pour prendre le commandement de ce front et organiser la défense aérienne et terrestre. Il parvient, en quelques jours, à stabiliser la situation et met en place une noria continue de troupes, de camions de munitions et de ravitaillement sur la petite route de Bar-le-Duc à Verdun qui va devenir la "Voie sacrée".
Unanimement reconnu comme "le vainqueur de Verdun", il ne reste pourtant qu'à peine plus de deux mois sur ce front avant de remplacer le général de Langle de Cary à la tête du Groupe d'Armées du Centre et d'être lui-même remplacé par le général Nivelle dont l'étoile de cesse de monter depuis le début de cette bataille pour aboutir à sa nomination, le 25 décembre 1916, de commandant en chef des armées à la place de Joffre. Le général Pétain est quant à lui nommé chef d'état-major général, poste spécialement crée pour lui.
Opposé aux méthodes brutales du nouveau généralissime qui envisage, dans l'Aisne, un assaut mené "jusqu'au bout de la capacité offensive" des unités, c'est-à-dire sans égard aux pertes, il ne peut s'opposer aux menaces de démission qui assurent en dernier lieu à Nivelle la confiance du gouvernement. La bataille du Chemin des Dames, déclenchée le 16 avril 1917, se solde rapidement par un échec très coûteux en vies humaines. Le mécontentement des soldats gronde et des refus collectifs d'obéissance se manifestent dans de nombreuses unités.
Nivelle est remplacé par Pétain qui est nommé, le 15 mai 1917, commandant en chef des armées françaises. Chargé de réprimer les mutineries et de ramener la confiance des troupes, il impose de dures mesures disciplinaires mais réduit au minimum les exécutions prononcées par le Conseil de guerre (49 exécutions pour 554 condamnations à mort), met fin aux offensives mal préparées et améliore les conditions de vie matérielles et morales des soldats, en attendant "les Américains et les chars".
En octobre 1917, il reprend aux Allemands, grâce à des offensives à objectifs limités et ne gaspillant pas la vie des soldats, une partie du terrain perdu du Chemin des Dames (le fort de la Malmaison).
Il développe parallèlement ses idées sur la nouvelle importance de l'aviation dans les batailles et sur son utilisation combinée avec les chars. Sa directive n° 5 du 12 juillet 1918 s'oriente ainsi nettement vers la guerre de mouvement : "la surprise tactique sera obtenue par la soudaineté de l'attaque à la faveur d'une préparation par l'artillerie et l'aviation de bombardement aussi brève et aussi violente que possible, soit sans préparation à la faveur de l'action de rupture des chars d'assaut ouvrant la voie à l'infanterie et à l'artillerie. Le rôle de l'aviation est de la plus haute importance".
Il prépare également une grande offensive en Lorraine, prévue pour le 14 novembre 1918, qui doit mener les troupes franco-américaines jusqu'en Allemagne. Mais elle est abandonnée car, contre son avis et celui du général Pershing qui souhaitaient que la signature de l'armistice n'intervienne pas avant que l'ennemi ne soit rejeté au-delà du Rhin, Foch, nouveau général en chef, et Clemenceau, président du Conseil, acceptent l'armistice demandé par les Allemands à la date du 11 novembre alors que les territoires français et belges ne sont pas encore tous libérés et que les alliés sont encore loin de la frontière allemande.
Bénéficiant d'une popularité considérable à la fin du conflit, véritable légende vivante, Pétain est élevé à la dignité de maréchal de France le 19 novembre 1918 et reçoit le 8 décembre suivant, à Metz, son bâton étoilé des mains du président Poincaré.
Reconduit dans ses fonctions de commandant des troupes françaises en juillet 1919, il est également nommé, par décret du 23 janvier 1920, vice-président du Conseil supérieur de la guerre et par décret du 18 février 1922, Inspecteur général de l'armée. Il se consacre durant toute cette période à la réorganisation de l'armée française.
En 1925, il est envoyé au Maroc pour combattre la rébellion de tribus aux ordres d'Abd-el-Krim, chef de l'éphémère République du Rif. Cette campagne s'achève en mai 1926 par la soumission d'Abd-el-Krim.
C'est la dernière campagne du maréchal Pétain et son ultime victoire.
Entré à l'Académie Française le 22 janvier 1931, il est nommé, le 9 février suivant, Inspecteur général de la défense aérienne du territoire. Son immense popularité, en particulier dans les milieux de gauche qui voient en lui le modèle du militaire républicain, lui permet d'accéder, en 1934, au poste de ministre de la guerre dans le gouvernement Doumergue, poste qu'il occupe jusqu'au renversement du cabinet, le 8 décembre 1934. Au cours de ce bref ministère, il travaille essentiellement à doter les forces françaises des moyens indispensables à la conduite d'une guerre moderne, offensive et audacieuse, grâce à l'emploi combiné de l'aviation et des chars. Mais il est confronté à des contingences politiques et financières qui ne lui laissent guère de moyens d'actions. Il préside par la suite le Conseil supérieur de la guerre où sa politique de guerre défensive s'oppose aux idées du colonel de Gaulle, partisan de la concentration de chars dans des divisions blindées.
Le 2 mars 1939, il est envoyé par Daladier comme ambassadeur de France en Espagne pour négocier la neutralité du régime de Franco en cas de guerre européenne et superviser le rapatriement à Madrid des réserves d'or de la Banque d'Espagne et des toiles du musée du Prado, mises à l'abri en France durant la guerre civile espagnole.
Le 17 mai 1940, Pétain, qui a alors 84 ans, est rappelé d'urgence en France par Paul Reynaud pour occuper le poste de vice-président du Conseil dans son gouvernement. Le général Weygand est nommé à la tête des armées en remplacement du général Gamelin mais il est déjà trop tard. Le gouvernement s'installe à Bordeaux et des centaines de milliers de Français et de Belges prennent les routes de l'exode pour fuir les troupes allemandes. Le 16 juin, Reynaud présente la démission de son gouvernement et propose de confier la Présidence du Conseil au maréchal Pétain, considéré par beaucoup comme l'homme providentiel.
Jusqu'en 1940, Pétain était avant tout et essentiellement un soldat. Après 1940, il doit gouverner au lieu de commander.
Le 17 juin, il prononce son premier message radio-diffusé et annonce aux Français son intention de demander l'armistice qui sera signé à Rethondes, le 22 juin après avoir été approuvé par le Conseil des ministres et le président de la République, Albert Lebrun. Le 29 juin, le gouvernement quitte Bordeaux et s'installe à Vichy où, le 10 juillet, une loi votée par les deux assemblées (569 voix pour, 80 voix contre et 17 abstentions) confie au Maréchal les pleins pouvoirs avec pour mission la promulgation d'une nouvelle constitution.
Mais Pétain décide de ne rien promulguer tant que la France ne sera pas libérée. Il institue donc un État provisoire, l'État français, pour le temps de l'occupation.
Dès lors commence la période la plus controversée de sa vie. Devenu chef de ce nouvel État, Pétain suspend les libertés publiques comme les partis politiques et unifie les syndicats dans une organisation corporatiste du travail. Il instaure un régime autoritaire, antiparlementaire, anticommuniste et anticapitaliste qui veut réaliser la "Révolution Nationale" avec pour devise "Travail, Famille, Patrie" et pour ambition le "relèvement de la France" qui passe d'abord par le rapatriement des réfugiés, le ravitaillement mais aussi le maintien de l'ordre et de l'unité nationale.
Il fait promulguer, anticipant les exigences allemandes, des lois d'exclusion contre les francs-maçons et les juifs qui les excluent de la plupart des activités et fonctions publiques.
Alors que le général de Gaulle, parti à Londres, appelle tous les Français à résister à l'ennemi, le maréchal Pétain s'engage officiellement dans la voie de la collaboration après son entrevue avec le chancelier Hitler dans la ville de Montoire (Loir-et-Cher), le 30 octobre 1940. Il poursuivra cette politique tout au long de la guerre dans l'espoir de faire de la France le partenaire privilégié du Reich dans une Europe durablement sous hégémonie allemande. Son choix collaborationniste exclut toute rébellion ou simple protestation contre les exactions de l'occupant et implique au contraire de dénoncer tous les actes de résistance intérieure ou extérieure et les opérations alliées contre des civils comme des "crimes terroristes". Il encourage les formations para-militaires, fer de lance de la Révolution Nationale et du régime et soutien des troupes allemandes sur le front russe.
Après le débarquement allié en Afrique du Nord le 8 novembre 1942 et les ordres que donne le Maréchal à ses généraux sur place de combattre les alliés, après la dissolution de l'armée d'armistice et le sabordage de la flotte française dans la rade de Toulon le 27 novembre 1942, après la dissidence de la plus grande partie de l'Empire et la fin de la "zone libre", le régime de Vichy ne dispose plus que d'un pouvoir illusoire face aux Allemands et le Maréchal perd, en France, une grande partie de la popularité dont il bénéficiait depuis 1940. De plus en plus affecté par son grand âge qui ne lui laisse plus, selon ses proches collaborateurs, que quelques heures de lucidité quotidiennes, il maintient néanmoins sa politique de collaboration et accepte le durcissement de la répression jusqu'en août 1944 où il est emmené contre son gré à Sigmaringen, en Allemagne, avec de nombreux dignitaires de son régime. Refusant d'y constituer un gouvernement fantoche, il traverse la Suisse et se rend aux autorités françaises le 26 avril 1945.
Traduit devant la Haute Cour de justice, son procès débute le 23 juillet 1945 et s'achève le 15 août suivant en le déclarant coupable d'intelligence avec l'ennemi et de haute trahison. Il est alors condamné à mort, à la dégradation nationale et la confiscation de tous ses biens mais la Haute Cour demande la non-exécution de la sentence, eu égard à son grand âge. Le général de Gaulle accède à cette demande, en raison peut-être également des mérites passés du Maréchal mais aussi de leurs anciens liens, et commue la sentence de mort en peine de réclusion à perpétuité.
Interné quelques mois au fort de Pourtalet, dans les Pyrénées, il est transféré au fort de la Citadelle, sur l'île d'Yeu, en novembre 1945. Il y décède le 23 juillet 1951, à l'âge de 95 ans, et est enterré au cimetière de Port-Joinville.
