Les zeppelins sont utilisés comme bombardiers pendant la Première Guerre mondiale mais ne montrent pas une grande efficacité. Au début du conflit, le commandement allemand entretient de grands espoirs pour l'aéronef, car il semble avoir des avantages irrésistibles en comparaison avec les avions de l'époque : ils sont presque aussi rapides, transportent plus d'armement, ont une plus grande charge utile de bombes et un rayon d'action et une résistance très supérieurs. Ces avantages ne se traduisent pas dans les faits.
La première utilisation offensive de zeppelins a lieu deux jours seulement après l'invasion de la Belgique, par un seul aéronef, le Z VI, qui est endommagé par des tirs et est forcé de faire un atterrissage près de Cologne. Deux autres sont abattus en août et un est capturé par les Français. Leur utilisation contre des cibles bien défendues pendant le jour est une erreur et le haut commandement perd toute confiance dans les capacités du zeppelin, les transférant au service aérien de la marine pour d'autres missions.
La mission principale des aéronefs est la reconnaissance au-dessus de la mer du Nord et de la mer Baltique, son long rayon d'action permit aux bateaux de guerre d'intercepter de nombreux vaisseaux alliés. Pendant la totalité de la guerre, 1 200 sorties en éclaireur sont effectuées. Le service aérien de la marine dirige aussi un certain nombre de raids stratégiques contre la Grande-Bretagne, montrant la voie dans des opérations de bombardement et obligeant les Britanniques à mettre à niveau leurs défenses anti-aériennes. Les premiers raids sont approuvés par le Kaiser en janvier 1915. Les objectifs sont militaires mais les raids ayant lieu de nuit après que le couvre-feu est devenu obligatoire beaucoup de bombes tombent au hasard dans l'est de l'Angleterre.
Le premier raid a lieu le 19 janvier 1915, c'est le premier bombardement aérien de civils. Deux zeppelins lâchent 50 kg de bombes à forte explosion et des bombes incendiaires de 3 kg inefficaces sur King's Lynn, Great Yarmouth et les villages avoisinants. Les défenses britanniques sont initialement divisées entre la Royal Navy et l'armée (cette dernière prend un contrôle total en février 1916) et plusieurs mitrailleuses de calibre 4 pouces (10 cm) sont converties en mitrailleuses anti-aériennes. Des projecteurs de recherche sont introduits, d'abord aux mains de policiers qui confondent des nuages avec des aéronefs en attaque. Les défenses aériennes contre les zeppelins sont insuffisantes, souffrant surtout du manque d'appareils de visée. Les premiers succès obtenus contre les dirigeables le sont en les bombardant d'un avion. Le premier homme à abattre un zeppelin de cette manière est R. A. J. Warneford du RNAS, volant sur un Morane Parapluie le 7 juin 1915. En jetant six bombes de 9 kg, il met le feu au LZ 37 au-dessus de Gand et est décoré de la Victoria Cross.
Les raids continuent en 1916 ; Londres est accidentellement bombardée en mai. En juillet, le Kaiser autorise les raids directement contre les centres urbains. Il y a vingt-trois raids de dirigeables, qui larguent un total de 125 tonnes de bombes, tuant 393 personnes et en blessant 691. Les défenses antiaériennes deviennent plus efficaces et de nouveaux zeppelins sont introduits dont le plafond double de 1 800 m à 3 750 m. Pour éviter les projecteurs, ces aéronefs volent autant que possible au-dessus des nuages, descendant un observateur à travers la couche nuageuse pour diriger le bombardement. Cette sécurité accrue est contrebalancée par les contraintes supplémentaires sur l'équipage et l'introduction à mi-1916 des chasseurs tirant vers l'avant. Le premier zeppelin abattu dans ces conditions l'est le 2 septembre 1916 par W. Leefe-Robinson.
L'introduction de chasseurs efficaces marque la fin de la menace zeppelin. De nouveaux zeppelins sont mis en service pouvant opérer à 5 500 m mais en les exposant à des conditions extrêmes de froid, et à des sautes de vent pouvant éparpiller de nombreux raids de zeppelins. En 1917 et 1918, il n'y a que onze raids contre l'Angleterre, le dernier ayant lieu le 5 août 1918. Le capitaine de corvette Peter Strasser, commandant du département de l'aéronautique navale, meurt dans ce raid.
Un total de quatre-vingt huit zeppelins sont construits pendant la guerre. Plus de soixante sont perdus, dont la moitié par accident et l'autre contre l'ennemi. Cinquante et un raids sont accomplis, lâchant près de 200 tonnes en 5 800 bombes, tuant 557 personnes et en blessant 1 358. On a affirmé que les raids ont été plus efficaces que les dommages ne l'indiquent, en perturbant l'effort de guerre et en mobilisant douze escadrons de chasseurs et 10 000 hommes pour la défense anti-aérienne.
À part les problèmes stratégiques, la technologie du zeppelin est améliorée considérablement sous la pression de la demande pour les exigences militaires. Vers la fin de la guerre la société Zeppelin, essaime plusieurs annexes dans diverses parties de l'Allemagne avec des hangars plus près du front que Friedrichshafen, fournissant des aéronefs d'environ 200 m de longueur et plus et avec des volumes de 56 000 à 69 000 m3. Ces dirigeables peuvent transporter des charges de 40 à 50 tonnes et atteindre une vitesse de 100 à 130 km/h en utilisant cinq ou six moteurs Maybach d'environ 260 ch chacun.
En fuyant les tirs ennemis, les zeppelins atteignent des altitudes de 7 600 m et sont aussi capables de vols au long cours. Par exemple, le LZ 104 « L 59 », basés à Jamboli/Yambol en Bulgarie, envoyés pour renforcer les troupes en Afrique de l'Est allemande (l'actuelle Tanzanie) en novembre 1917. L'aéronef n'arrive pas à temps et doit retourner en apprenant la défaite allemande face aux troupes britanniques, mais il a parcouru 6 757 km en 95 heures et donc battu le record de la plus longue distance.
La défaite allemande dans la guerre marque aussi la fin des dirigeables militaires allemands, car les Alliés victorieux exigent un désarmement complet des forces aériennes allemandes et la livraison de tous les aéronefs au titre des réparations de guerre. Le traité de Versailles comporte des articles traitant explicitement des dirigeables :
«Article 198.
Les forces armées de l'Allemagne ne doivent pas inclure des forces aériennes militaires ou navales. […] Aucun dirigeable ne doit être conservé.
Article 202.
Lors de l'application du présent traité, tous les matériels aéronautiques militaires et navals […] doivent être livrés aux gouvernements des principaux alliés et pouvoirs associés. […] en particulier, ce matériel inclura tous les objets sous les titres suivants qui sont ou ont été utilisés ou conçus pour des fins militaires :
[…]En attendant leur livraison, les dirigeables seront, aux frais de l'Allemagne, maintenus gonflés avec de l'hydrogène ; l'usine pour la fabrication de l'hydrogène, aussi bien que les abris pour dirigeables pourront, à la discrétion desdits pouvoirs, être laissés à l'Allemagne jusqu'au moment où les dirigeables seront transférés. […] »
- Dirigeables capables de décoller, étant fabriqués, réparés ou assemblés.
- Usines pour la fabrication de l'hydrogène.
- Hangars et abris pour n'importe quel aéronef'
Le 23 juin 1919, une semaine avant que le traité ne soit signé, plusieurs équipages de zeppelin détruisent leurs aéronefs dans leurs hangars pour éviter qu'ils soient livrés aux Alliés, suivant en cela l'exemple de la flotte allemande qui s'est sabordée deux jours auparavant à Scapa Flow. Les dirigeables restants sont transférés à la France, à l'Italie, au Royaume-Uni et à la Belgique en 1920.
La France utilisera le LZ-114, rebaptisé Dixmude, jusqu'en 1923 où il disparaîtra en Méditerranée.
115 Zeppelins furent utilisés durant la Grande Guerre. Voici leur destin :
| Fin de carrière | Nombre |
|---|---|
| Posés en territoire ennemi | 7 |
| Détruits en vol | 17 |
| Détruits à l’atterrissage | 19 |
| Détruits accidentellement | 26 |
| Détruits en hangar | 8 |
| Endommagés | 7 |
| Transférés aux Alliés | 9 |
| Détruits par l’Allemagne | 22 |