В декабре 1914 года на участке Юго-Западного фронта командир авиационного отряда подъесаул В. М. Ткачёв, имея при себе из оружия лишь пистолет «Наган», первым среди русских пилотов, атаковал немецкий аэроплан «Альбатрос» и своими действиями заставил противника ретироваться.
В период с 4 по 7 июня 1915 года — несмотря на явную опасность для жизни от губительного огня зенитных батарей, он неоднократно пробивался в тыл неприятеля, собирая важные сведения. Встретившись с немецким аэропланом, вооружённым пулемётом, вступил с ним в поединок и обратил его в бегство.

4 июля 1915 году, производя воздушную разведку в районе рек Лины и Стыри, вскрыл сосредоточение сильной ударной германской группировки.

1 августа 1916 года В.М. Ткачёв сбил австрийский аэроплан «Авиатик», причём аппарат и оба лётчика попали в руки русских воинов.

В 1916 году — войсковой старшина и начальник 11-го авиадивизиона (с 21 апреля 1916), а затем — инспектор авиации Юго-Западного фронта (с 3 сентября 1916). Награжден Золотым оружием «За храбрость» (10 сентября 1916). 11 января 1917 года высочайшим приказом от 20 декабря 1916 года из войскового старшины переименован в подполковники с зачислением по инженерным войскам. После Февральской революции Ткачёв занимает пост начальника Авиаканца.

9 июня 1917 года Ткачёв был назначен начальником Полевого управления авиации и воздухоплавания при Штабе Верховного Главнокомандующего, сокращенно — авиадарм (авиация действующей армии, с 26 июня 1917), по сути — глава авиации России. В 1917 году Ткачёв завершил работу над первым в своем роде в истории развития русской авиации пособием — «Материалы по тактике воздушного боя», составленным на основании боевой практики в Луцком районе осенью 1916 года. В этом документе, как показал дальнейший ход событий, он заложил фундамент для развития тактики истребительной авиации в России.

Ткачёв В.М. в кабине «Морана-Парасоль»

25 августа 1917 года за боевые заслуги произведен в полковники.

19 ноября 1917 года, узнав о предстоящем занятии Ставки главковерха прибывшими петроградскими солдатами во главе с новым Верховным Главнокомандующим прапорщиком Крыленко, Ткачёв подал рапорт об отставке, а на следующий день, не дожидаясь ответа, самовольно уехал на фронт. В оставленной записке он обратился к Председателю авиасовета с заключительным возванием, которое стало по сути реквиемом русскому Военно-воздушному флоту:

Захват Ставки большевиками поставил меня в безвыходное положение. Передо мною стояла проблема: остаться на занимаемой должности, подчиниться Крыленко и таким образом принять участие в том государственном разрушении, которое несут с собой захватчики власти, или же отдать себя на милость победителей, выразив им свое неподчинение. Впрочем, разрешение данного вопроса первым способом не могло совершенно иметь места, так как по имевшимся у меня данным, я должен был быть арестованным даже независимо от того, подчиняюсь ли я самозванцу Крыленко или нет. Таким образом, с появлением большевиков в Ставке я погибал для авиации. Считая своим нравственным долгом перед Родиной в ее тяжелые дни испытаний работать, борясь всеми силами и средствами с ужасным ядом, несущимся преступниками народа и государства — большевиками, а не сидеть под арестом, я подал рапорт 19 ноября Начальнику Штаба с просьбой об увольнении меня от занимаемой должности и о назначении моим заместителем одного из следующих кандидатов: полковника Коновалова, Степанова или Кравцевича и, сдав временно должность полковнику Нижевскому, 20 ноября я покинул Ставку, подав рапорт об отъезде на фронт. В лице Авиасовета, я каюсь перед всей родной мне авиацией в своих страданиях теперь. Меня можно упрекнуть за то, что я в тяжелую минуту покинул свой ответственный пост, но этим я ускорил свой уход только на несколько часов. Я прошу Авиасовет прийти на помощь моему заместителю всем своим авторитетом и возможными средствами для спасения авиации от полного развала. Молю сохранить для будущей обновленной России хотя бы ячейку, которая послужит началом для будущего мощного воздушного флота.