Í janúar 1915, daginn áður en hann var kallaður til herþjónustu í fyrri heimsstyrjöldinni, giftist hann Rósu Koch. Hann var sendur í byssukerfi á vesturlínunni, þar sem hann var til loka stríðsins, og tók þátt í slaginu við Champagne.
(1915<unk>1916), Somme-baráttunni (1916), Arras-baráttu (1917), seinni Aisne-baráttu (1917), Cambrai-baráttu (1917) (1917) og Soissons-baráttu (1918). Fyrir þjónustu sína hlaut Thälmann járnkrossinn í annarri flokki, Hansakrossinn og sáramerkið (tvisvar).