Během první světové války sloužil Neilson v pěchotě armády Spojených států jako poručík. V roce 1917, ve věku 41 let, se hlásil na výcvik důstojníků, který se nacházel v Plattsburgh, New York. V roce 1918 se Neilson zúčastnil druhé bitvy u Marny.
, během kterého byl zabit jeho velící důstojník. Během bitvy byl zraněn, ale přesto převzal velení nad svými spolubojovníky a bezpečně je zakotvil po dobu 24 hodin. Má střelnou ránu do břicha a několik střepinových ran. Zbytek války strávil v nemocnici a později mu byl udělen francouzský válečný kříž a kříž za vynikající službu.