Но вместо ожидаемого наступления русских армий по всему фронту последовал страшный контрудар австро-немецких войск – так называемый Горлицкий прорыв. Генерал-квартирмейстерская часть Юго-Западного фронта делала все возможное, чтобы задержать противника. Дитерихс принимал, анализировал донесения от различных воинских частей, стремился наладить оперативное взаимодействие различных частей фронта, провести отступление максимально планомерно. Высочайшим Указом от 28 мая 1915 года «за отличную службу и труды военного времени» Дитерихс был произведен в генерал-майоры. А 8 октября 1915 года «за отлично-усердную службу и труды, понесенные во время военных действий» он был награжден орденом Св. Станислава 1-й степени с мечами.
В декабре 1915 года командование армиями Юго-Западного фронта принял генерал-адъютант А.А. Брусилов. Он поручил Дитерихсу разработку планов контрнаступления Юго-Западного фронта в 1916 году, которое войдет в историю как Брусиловский прорыв. Правда, увидеть результаты своего плана Михаилу Константиновичу не довелось. В мае месяце, в разгар боев, было объявлено, что генерал-майор Дитерихс отправляется к новому месту службы – на Салоникский фронт, где ему предстояло стать начальником 2-й Особой пехотной бригады, входившей в состав межсоюзнических воинских контингентов на Балканах. За бои под городом Монастырь Дитерихс получил орден Св. Владимира 2-й степени с мечами, а также удостоился высшей награды Франции – ордена Почетного легиона.
Летом 1917 года Дитерихс вернулся в Россию. Его встретила уже совершенно другая страна – опьяненная дурманом послефевральской «свободы». Широко разрекламированное июньское наступление окончилось полным провалом. Все разваливалось прямо на глазах, различные политические силы стремились перетянуть военных на свою сторону. Между тем при Временном правительстве Дитерихс успел получить заметное повышение по службе: чин генерал-лейтенанта и должность генерал-квартирмейстера Ставки Верховного главнокомандующего (сентябрь 1917 г.). Из-за развала фронта военные задачи становились весьма отдаленными, важнее было подготовиться к борьбе против «внутренних врагов». После большевистского Октябрьского переворота, бегства Керенского с поста главковерха, коротких переговоров с Совнаркомом Дитерихс, не желая иметь ничего общего с новой властью, приказом по Управлению сложил с себя обязанности генерал-квартирмейстера (8 ноября).