En , il est placé à la tête de la 2e armée, avec laquelle il envahit la Belgique, s'emparant de Namur (22-), ainsi que de Dinant. Son fils, le lieutenant Friedrich von Bülow est tué lors d'un combat à Seilles le . Karl von Bülow est considéré comme un criminel de guerre à cause de massacres de civils à Andenne () et du massacre du du faubourg de Leffe[Information douteuse]. Avançant en France, il défait la Ve armée française du général Lanrezac à Charleroi (23-) mais est mis en échec à Guise (29-).
La IIe armée et la Ire du général Alexandre von Kluck approchant de Paris du 31 août au 2 septembre, Bülow, soucieux devant l'écart croissant entre les deux armées, ordonne à Kluck de tourner ses forces vers sa droite, pour se rapprocher des siennes. Toutefois, cette décision repousse vers le sud et l'est de Paris l'avancée de Kluck, qui devait avoir lieu au nord et à l'ouest dans le Plan Schlieffen. Bülow franchit la Marne le 4 septembre, mais décide de retraiter vers l'Aisne après la contre-attaque victorieuse combinée des forces françaises et britanniques contre la Ire armée de Kluck lors de la première bataille de la Marne (6-13 septembre).
Fin de carrière
Bülow est promu Generalfeldmarschall en , il est victime deux mois plus tard d'une attaque cardiaque et quitte le théâtre des opérations militaires au début 1916, pour s'installer à Berlin, où il demeure jusqu'à sa mort.
Karl-Friedrich Hildebrand, Christian Zweng: Die Ritter des Ordens Pour le Mérite des I. Weltkriegs. Band 1: A–G. Biblio Verlag, Osnabrück 1999 (ISBN3-7648-2505-7), S. 221–223.
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