Začátkem následujícího roku se stal generálporučíkem v pruské službě a velitel III. sboru (s Carlem von Clausewitzem jako jeho náčelníkem štábu) se zúčastnil kampaně u Waterloo. Z pole Ligny se s zbytkem Blücherovy armády stáhl na Wavre, a když druhý sbor pochodoval směrem k Waterloo, von Thielmann bránil toto hnutí proti Grouchy, bojoval v bitvě u Wavre
(1819 - červenec 1815), čímž významně přispěl k vítězství u Waterloo.