Z wybuchem wojny – w sierpniu 1914 roku wyruszył jako porucznik rezerwy na front z kompanią 1 batalionu saperów i brał udział w bitwach I Korpusu pod Kraśnikiem i Dęblinem. W listopadzie 1914 został awansowany do stopnia kapitana i przeniesiony do Kadry Batalionów w Mährisch Schönberg (pol. Szumperk), gdzie szkolił zapasowe oddziały pionierów piechoty korpusu.
W kwietniu 1915 roku został przydzielony do Sztabu Inżynierii i odkomenderowany do Dyrekcji Inżynierii w fortecy Kraków. Na stanowisku tym pozostał do końca wojny z przerwą kilkumiesięczną (I połowa 1916), biorąc udział w walkach na froncie nad Ikwą. Od 1917 r. pełnił funkcję dyrektora Dyrekcji Inżynierii w Krakowie, mając pod komendą kilkudziesięciu oficerów i kilka tysięcy żołnierzy. Był ostatnim Dyrektorem Inżynierii Twierdzy Kraków.
W czasie pełnienia służby wojennej Stanisław Starzewski dwukrotnie podejmował próby przeniesienia się z Armii Austro-Węgierskiej do Legionów Polskich, ale nie dostał na to zgody.
Po upadku monarchii austro-węgierskiej uchronił mienie państwowe fortecy krakowskiej.