V januári 1915, deň predtým, ako bol povolaný do vojenskej služby v prvej svetovej vojne, sa oženil s Rosou Kochovou. Bol pridelený k delostrelectvu na západnom fronte, kde zostal až do konca vojny a zúčastnil sa bitky pri Champagne.
(1915-1916), bitka na Somme (1916), bitka u Arrasu (1917), druhá bitka pri Aisne (1917), bitka pri Cambrai (1917) (1917) a bitka pri Soissons (1918). Za svoju službu získal Thälmann Železný kríž druhej triedy, Hanzovský kríž a odznak zranenia (dvakrát).