Le vaste bâtiment de l’hôtel de ville a été très convoité par les services de l’Armée à partir de 1916. Il abrite pendant deux mois, en mai et juin 1916, le quartier général du général Pétain, lorsque ce dernier est remplacé par le général Nivelle à la tête de la IIe Armée et du secteur de Verdun.
C’est Joffre, le général en chef des armées françaises, qui avait nommé Pétain pour repousser l’offensive sur Verdun déclenchée par les Allemands le 21 février 1916. Pétain installe alors son quartier général à Souilly, à mi-chemin entre Bar-le-Duc et Verdun. Il prend très vite des mesures fort efficaces pour contenir la formidable poussée allemande. Il refuse toutefois de lancer la contre-offensive que souhaite Joffre si ses demandes de renforts ne sont pas satisfaites. Joffre ne cède pas. Pétain fait l’objet d’un « limogeage poli ». Il est nommé à la tête du Groupe d’Armées du Centre, qui coiffe la IIe Armée. Le 1er mai 1916, il s’installe avec son quartier général à la mairie de Bar-le-Duc. Il le transférera à la fin juin 1916 au château de Nettancourt, à une vingtaine de kilomètres de Bar-le-Duc. À l’hôtel de ville, Pétain et son état-major occupent notamment la salle du conseil et la salle des mariages. D’autres services de l’armée française feront de même par la suite. Des unités américaines les remplaceront même un moment à l’automne 1918, en particulier l’état-major de la 3e division américaine. Une plaque apposée près de l’entrée de l’hôtel de ville rappelle l’intervention américaine dans la guerre.